CN117120885A

CN117120885A - 低损耗光学材料和工艺

Info

Publication number: CN117120885A
Application number: CN202280027994.9A
Authority: CN
Inventors: 萨拉·阿扎里; 奥斯汀·莱恩; 费扎·杜达尔·阿利索伊; 安吉特·沃拉; 尼哈·兰詹·莫汉蒂; 维韦克·古普塔; 张可人
Original assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2022-04-15
Publication date: 2023-11-24

Abstract

光学设备包括：基板；第一表面浮雕光栅，该第一表面浮雕光栅包括形成在基板上或基板中的槽和脊；第一外涂层，该第一外涂层在第一表面浮雕光栅的槽中；以及第一外涂层上的第一抗反射层。第一表面浮雕光栅的脊包括高折射率、光活性的金属氧化物纳米颗粒以及在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的第一外涂层的材料；或者第一外涂层包括金属氧化物纳米颗粒以及在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的第一抗反射层的材料。还描述了制造该光学设备的方法。

Description

低损耗光学材料和工艺

技术领域

本公开一般涉及表面浮雕光栅(surface-relief grating)。更具体地，本文中公开了用于形成低损耗、高折射率表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外涂层(外覆层，overcoatlayer)的技术。

背景技术

诸如头戴式显示器(head-mounted display，HMD)或平视显示器(heads-updisplay，HUD)系统的人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，形式为头戴式耳机或一副眼镜)，该近眼显示器配置为经由用户眼前例如约10-20mm内的电子显示器或光学显示器向用户呈现内容。近眼显示器可以显示虚拟对象或组合现实对象与虚拟对象的图像，如在虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)或混合现实(mixedreality，MR)应用中。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透明显示器眼镜或透镜(常常称为光学透视)进行观看来查看虚拟对象图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))和周围环境两者。

光学透视AR系统的一个示例可以使用波导类光学显示器，其中投影图像的光可以被耦合到波导(例如，透明基板)中，在波导内传播并在不同位置处被耦合出波导。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件(诸如，表面浮雕光栅或体布拉格光栅)将投影图像的光耦合到波导中或耦合出波导。来自周围环境的光可以穿过波导的透视区域，并且也到达用户的眼睛。

发明内容

本公开一般涉及表面浮雕光栅。更具体地，本文中公开了用于形成低损耗、高折射率表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外涂层的技术。本文中描述了各种发明实施方案，包括设备、系统、方法、工艺、材料、组合物等。

根据某些实施方案，光学设备包括：基板；第一表面浮雕光栅，该第一表面浮雕光栅包括形成在基板上或形成在基板中的槽和脊；第一外涂层，该第一外涂层在第一表面浮雕光栅的槽中；以及第一抗反射层，该第一抗反射层在第一外涂层上。在一些实施方案中，第一表面浮雕光栅的脊可以包括金属氧化物纳米颗粒以及第一外涂层的材料，该第一外涂层的材料在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中，其中，该金属氧化物纳米颗粒可以是光活性的。在一些实施方案中，第一外涂层可以包括所述金属氧化物纳米颗粒以及第一抗反射层的材料，该第一抗反射层的材料在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中。

在一些光学设备的实施方案中，金属氧化物纳米颗粒可以包括TiO_x纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒或它们的组合。第一表面浮雕光栅的脊或第一外涂层的特征可以在于针对可见光的大于2.0的折射率。第一表面浮雕光栅和第一外涂层的总光学吸收针对可见光可以低于0.1％。第一表面浮雕光栅的脊中的金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的材料或第一外涂层中的金属氧化物纳米颗粒之间的材料可以包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。第一表面浮雕光栅的脊或第一外涂层可以具有的碳原子浓度小于10％、小于5％、小于2％或小于1％，例如接近约0％。

在一些实施方案中，光学设备可以包括第二表面浮雕光栅，该第二表面浮雕光栅包括形成在基板上或形成在基板中的槽和脊；第二外涂层，该第二外涂层在第二表面浮雕光栅的槽中；以及第二抗反射层，该第二抗反射层在第二外涂层上。第二表面浮雕光栅和第一表面浮雕光栅可以位于基板的相对侧上。在一些实施方案中，第二表面浮雕光栅的脊可以包括金属氧化物纳米颗粒以及第二外涂层的材料，该第二外涂层的材料在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中。在一些实施方案中，第二外涂层可以包括金属氧化物纳米颗粒以及第二抗反射层的材料，该第二抗反射层的材料在金属氧化物纳米颗粒之间的区域中。

根据某些实施方案，一种方法可以包括在表面浮雕光栅上沉积外涂层以至少部分填充表面浮雕光栅的光栅槽，通过加热或电磁辐射固化外涂层，对外涂层执行高能处理以去除吸光有机物并在外涂层中形成多孔结构，以及在外涂层中沉积有机材料、无机材料或它们的组合的第一层以填充外涂层中的多孔结构。外涂层可以包括含金属氧化物前体的溶胶-凝胶材料或含金属氧化物纳米颗粒的树脂层。在一些实施方案中，方法还可以包括在固化外涂层之前，使用平面压印压模(planar imprint stamp)来压印外涂层以使外涂层的顶表面平坦化。

在一些实施方案中，高能处理可以包括快速热退火(rapid thermal annealing，RTA)、激光峰值退火(laser spike annealing，LSA)或紫外(UV)光辐射。在外涂层上沉积有机材料、无机材料或它们的组合的第一层可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)工艺、顺序渗透合成(sequential infiltrationsynthesis，SIS)工艺、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)工艺、引发式化学气相沉积(initiated chemical vapor deposition，iCVD)工艺或它们的组合。在ALD工艺中使用的ALD前体包括TiCl₄和H₂O、四(二甲氨基)钛(IV)(Tetrakis(dimethylamino)titanium，TDMAT)和O₃、四(二甲胺基)锆(IV)(Tetrakis(dimethylamido)zirconium，TDMAZ)/三甲基铝(trimethylaluminum，TMA)和H₂O、或它们的组合。

在一些实施方案中，有机材料可以包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或它们的组合。无机材料可以包括例如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。溶胶-凝胶材料可以包括具有有机配体的有机溶剂溶解性二氧化钛；以及溶剂，该溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol methyl ether acetate，PGMEA)、二丙二醇甲醚(dipropylene glycol methyl ether，DPGME)/三丙二醇单甲醚(tripropylene glycolmonomethyl ether，TPM)或它们的组合。树脂层可以包括：丙烯酸酯树脂，该丙烯酸酯树脂包括光自由基生成物或热自由基生成物；TiO_x或NbO_x纳米颗粒，该TiO_x或NbO_x纳米颗粒用有机配体修饰；以及溶剂，该溶剂包括PGMEA、DPGME/TPM或它们的组合的。有机材料、无机材料或它们的组合的第一层可以在外涂层上形成抗反射层。

根据某些实施方案，一种方法可以包括：在基板上沉积包括金属氧化物纳米颗粒的树脂层；在树脂层中压印表面浮雕光栅；对表面浮雕光栅进行高能处理、以去除吸光有机物并在表面浮雕光栅中形成多孔结构；以及在表面浮雕光栅上沉积有机材料、无机材料或它们的组合的层以填充表面浮雕光栅的光栅槽和表面浮雕光栅中的多孔结构。高能处理可以包括快速热退火(rapid thermal annealing，RTA)、激光峰值退火(laser spikeannealing，LSA)或紫外(UV)光辐射。树脂层可以包括：丙烯酸酯树脂，该丙烯酸酯树脂包括光自由基生成物或热自由基生成物；TiO₂或NbO_x纳米颗粒，该TiO₂或NbO_x纳米颗粒用有机配体修饰；以及溶剂，该溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)或它们的组合。有机材料、无机材料或它们的组合的层可以包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。

本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或全部附图以及每条权利要求来理解本主题。在下文中，在以下说明书、权利要求和附图中，将更详细地描述前述内容连同其他特征和示例。

附图说明

下面参照以下附图详细描述示例性实施方案。

图1为根据某些实施方案的包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。

图2为用于实施本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备形式的近眼显示器的示例的立体图。

图3为用于实施本文公开的一些示例的眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。

图4示出了根据某些实施方案的包括使用波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图5示出了根据某些实施方案的包括用于出瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图6示出了在波导显示器的示例中显示光和外部光的传播的示例。

图7示出了根据某些实施方案的波导显示器中的倾斜光栅耦合器的示例。

图8A示出了波导类近眼显示器的示例，其中用于所有视场的显示光基本上均匀地从波导显示器的不同区域输出。

图8B示出了根据某些实施方案的波导类近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导显示器的不同区域中以不同角度耦合出波导显示器。

图9A示出了根据某些实施方案的具有可变蚀刻深度的倾斜表面浮雕光栅的示例。

图9B示出了根据某些实施方案的具有可变蚀刻深度和可变占空比的倾斜表面浮雕光栅的示例。

图10A至图10D示出了根据某些实施方案的用于制造用于纳米压印的软质印模的工艺的示例。图10A示出了母模具。图10B示出了涂覆用软质印模材料层涂覆的母模具。图10C示出了用于将软质印模箔层压到软质印模材料层上的层压工艺。图10D示出了层离工艺，其中将包括软质印模箔和附着的软质印模材料层的软质印模从母模具分离。

图11A至图11D示出了根据某些实施方案的用于使用软质印模的压印工艺的示例。图11A示出了用压印树脂层涂覆的波导。图11B示出了将软质印模层压到压印树脂层上。图11C示出了软质印模从压印树脂层层离。图11D示出了形成在波导上的压印倾斜光栅的示例。

图12A至图12C示出了根据某些实施方案在表面浮雕光栅上形成平坦化外涂层的方法的示例。

图13A至图13B示出了根据某些实施方案使用喷墨打印和压印技术在表面浮雕光栅上形成平坦化外涂层的方法的示例。

图14A示出了TiO₂纳米颗粒的光催化活性的示例。

图14B示出了由TiO₂纳米颗粒的光催化活性导致的有机降解的示例。

图15A至图15D示出了制造包括具有有机物和金属氧化物纳米颗粒的外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。

图15E示出了在制造过程中包括具有不同金属氧化物纳米颗粒和有机物的表面浮雕光栅的波导显示器示例的光学损耗的变化。

图16A至图16E示出了根据某些实施方案的制造包括高折射率和低损耗外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。

图17A示出了根据某些实施方案的回填(back-filled)纳米颗粒层的示例。

图17B示出了根据某些实施方案的包括回填高折射率外涂层的表面浮雕光栅的示例。

图18A示出了根据某些实施方案的包括基板和具有通过快速热退火(RTA)去除有机物的树脂层的结构的示例的X射线光电子能谱(XPS)分布图。

图18B示出了根据某些实施方案的包括基板、回填纳米颗粒层和回填层的结构的示例的XPS分布图。

图18C示出了根据某些实施方案的包括基板、回填纳米颗粒层和Al₂O₃回填层的结构的示例的XPS分布图。

图18D示出了图18A至图18C的结构的示例中的折射率与各层密度之间的关系。

图19A至图19E示出了根据某些实施方案的制造包括具有高折射率和低损耗的外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。

图20A至图20E示出了根据某些实施方案的制造包括具有高折射率和低损耗的光栅脊的表面浮雕光栅的工艺的示例。

图21包括示出了根据某些实施方案的制造具有高折射率对比度和低损耗的表面浮雕光栅的工艺的示例的流程图。

图22为用于实现本文中公开的一些示例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。

仅出于例示目的，附图描绘了本公开的实施方案。本领域的技术人员从以下描述将容易认识到，可以采用示例的结构和方法的替代实施方案而不脱离本公开的原理或所宣称的益处。

在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后跟随短划线以及区分类似部件的第二标记，来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，那么该描述方式可适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任何一个，而无关于第二附图标记。

具体实施方式

本公开一般涉及表面浮雕光栅。更具体地，本文公开了用于形成低损耗、高折射率表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外涂层的技术。本文描述了各种发明实施方案，包括设备、系统、方法、工艺、材料、组合物等。

可以在一些光学设备中使用表面浮雕光栅来操纵光的行为。例如，可以在近眼显示系统中使用直的或倾斜的表面浮雕光栅来将显示光耦合到波导中或耦合出波导。可以在表面浮雕光栅上形成具有与表面浮雕光栅的光栅脊的折射率不同的折射率的外涂层，以填充光栅槽并保护直的或倾斜的结构。通常，希望在光栅脊与外涂层之间具有大的折射率对比度，以改善例如近眼显示系统的光耦合效率、视场范围和波长范围。在一些表面浮雕光栅中，可以使用高折射率纳米压印材料(例如，具有高折射率金属氧化物纳米颗粒的树脂)来制光作栅脊，并且可以使用具有低折射率的外涂层来实现大的折射率对比度。在一些表面浮雕光栅中，光栅脊可以由低折射率材料(例如，玻璃)制成，并且可以使用具有高折射率(例如，约2.0或更大)的外涂层来实现大的折射率对比度。用于光栅脊或外涂层的高折射率材料可以包括分散有高折射率纳米颗粒(诸如，TiO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒、ZrO₂纳米颗粒等)的树脂或者可以包括溶胶-凝胶材料，该溶胶-凝胶材料包括溶液和高折射率氧化物前体(例如，钛前体)并且已经部分或完全凝聚成延伸网络。

与ZrO₂(例如，针对可见光的折射率为约2.15)和其它介电材料(例如，金属氧化物，诸如NbO_x、LaO_x、TaO_x、Al₂O₃等)相比，TiO₂具有更高的折射率(例如，针对可见光大于约2.5)，因此可以与树脂材料混合以形成高折射率树脂(例如，具有约2.0或更高的折射率)。然而，高折射率树脂材料(诸如与TiO₂颗粒混合的有机物)在可见光波长内可能具有高吸收率，并且在由这些高折射率树脂材料制成的设备的制造和使用过程中，吸收率可能会增加。例如，由于二氧化钛的光活性，暴露于紫外(UV)光的TiO₂纳米颗粒可以与水分和/或氧气相互作用以产生自由基(例如，羟基自由基)，这些自由基可以氧化和降解高折射率树脂材料中的有机物(例如，配体和树脂)，其中被降解的有机物可以吸收可见光。除了二氧化钛的光激发外，这些相互作用也可以是热诱导的。由于它们的高表面提及比，TiO₂纳米颗粒可能具有高的光学吸收速率，这可能会增加表面光诱导的载流子密度，从而导致更高的表面光活性，并增强TiO₂纳米颗粒的光催化活性。因此，包括二氧化钛纳米颗粒和有机物的膜在可见光光谱中可能会显示出一定程度的光学吸收。随着膜与环境发生进一步的氧化还原作用(诸如，暴露于紫外(UV)光和热时)，膜的吸收可能会随着时间的推移而增加。由高吸收膜制成的表面浮雕光栅和/或外涂层可能导致用于波导显示器的高损耗和低产量。

根据某些实施方案，压印光栅层或外涂层中的有机物(诸如，可能已经被降解(氧化)或可能没有被降解的金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒上的有机配体)可以被去除和/或被另一种材料取代，该另一种材料诸如无机材料(例如，含硅材料)或可以具有低光学损耗且可能不会被金属氧化物纳米颗粒的光催化活性所降解的另一种有机材料。例如，可以通过诸如快速热退火法(RTA)或激光峰值退火法(LSA)的高能处理工艺来去除(例如，燃烧)光栅层或外涂层中的金属氧化物纳米颗粒上的有机配体，以在光栅层或外涂层中形成多孔结构。然后，可以在光栅层或外涂层上形成有机或无机材料层(例如，外涂层或抗反射涂层)，以填充光栅层或外涂层中的多孔结构，从而在降低光栅层或外涂层的吸收损失的情况下增加折射率。

在一个示例中，一种在表面浮雕光栅上形成高折射率和低损耗外涂层的方法可以包括：在表面浮雕光栅的第一侧上沉积第一外涂层以至少部分填充表面浮雕光栅的光栅槽，该第一外涂层包括分散在树脂材料中的高折射率纳米颗粒；任选地压印第一外涂层以在第一外涂层上形成平坦的顶表面；通过热辐射或电磁辐射固化第一外涂层；任选地在表面浮雕光栅的第二侧上沉积第二外涂层，该第二外涂层包括分散在树脂材料中的纳米颗粒；任选地通过热辐射或电磁辐射固化第二外涂层；对第一外涂层和第二外涂层执行RTA或LSA以去除纳米颗粒上的吸光有机配体并在第一外涂层和第二外涂层中形成多孔结构；以及通过例如喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、原子层沉积(ALD)工艺、顺序渗透合成(sequential infiltration synthesis，SIS)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、引发式化学气相沉积(iCVD)工艺等在第一外涂层和第二外涂层的每一者上沉积有机和/或无机材料层(例如，抗反射涂层)以用有机和/或无机材料回填多孔结构。

在另一示例中，一种形成高折射率和低损耗表面浮雕光栅的方法可以包括：在基板上沉积树脂层，该树脂层包括金属氧化物纳米颗粒；在树脂层中压印表面浮雕光栅；对表面浮雕光栅执行高能处理以去除光学吸收有机物并在表面浮雕光栅中形成多孔结构；以及使用例如喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、SIS工艺、PVD工艺或iCVD工艺在表面浮雕光栅上沉积有机材料、无机材料或其组合的层，以填充表面浮雕光栅中的多孔结构。

根据某些实施方案，用于压印表面浮雕光栅或外涂层的高折射率材料可以包括纳米颗粒类制剂或溶胶-凝胶类制剂。可以使用RTA或LSA对纳米颗粒类制剂、溶胶-凝胶类制剂或这两种类型的制剂的混合物进行退火，以在压印的表面浮雕光栅或外涂层中形成多孔结构。具有多孔结构的压印表面浮雕光栅或外涂层可以用有机和/或无机材料回填，以实现高折射率和超低吸收。填充多孔结构的有机和/或无机材料可以具有低光学损耗，并且可以包括例如有机材料，诸如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧类有机材料、硅氧烷类材料；无机材料，诸如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅等；或上述有机材料和无机材料的组合。

在一些实施方案中，溶胶-凝胶类制剂可以包括EMD MHM-63、飞利浦高折射率溶胶-凝胶制剂、或具有在PGMEA溶剂(用于旋转涂覆)或DPGME/TPM溶剂(用于喷墨涂覆)中的配体的有机溶剂溶解性二氧化钛(Titania)。在一些实施方案中，纳米颗粒类制剂可以包括具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂(折射率介于约1.55与约1.7之间)；具有丙烯酸酯和非官能化修饰配体的75％-90％的TiO_x、ZrO_x、NbO_x纳米颗粒；以及丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)溶剂(用于旋转涂覆)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)溶剂(用于喷墨涂覆)或溶剂共混物，该溶剂共混物包括沸点可以大于或可以不大于200℃的一种或多种溶剂。在一些实施方案中，ALD前体可以包括TiCl₄和H₂O、四(二甲氨基)钛(IV)(TDMAT)和O₃、四(二甲胺基)锆(IV)(TDMAZ)/三甲基铝(TMA)和H₂O等。

除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

如本文所使用的，术语“约”是指尺寸、大小、制剂、参数、形状和其他量和特性不是精确的且也不需要是精确的，但如期望的可以是近似的和/或更大或更小，反映公差、换算系数、四舍五入、测量误差等以及本领域技术人员公知的其他因素。一般而言，尺寸、大小、制剂、参数、形状或其他数量或特性是“约”或“近似”的，无论是否明确说明是这样的。注意，非常不同大小、形状和尺寸的实施方案可以采用所描述的布置。

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可被以框图形式示为部件，以免使示例在不必要的细节方面模糊不清。在其他情况下，对公知的设备、过程、系统、结构和技术的示出可能去掉了不必要的细节，以避免使示例模糊不清。附图和描述并非意图进行限制。在本公开中使用的术语和表述被用作描述术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表述时无意排除所示出和描述的特征的任何等价物或其部分。本文中使用的单词“示例”意为“用作示例、实例或例示”。本文作为“示例”所述的任何实施方案或者设计不一定被理解为比其他实施方案或者设计优选或者有利。

图1为根据特定实施方案的包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、任选的外部成像设备150和任选的输入/输出接口140，其中的每一者都耦合到光学控制台110。尽管图1示出人工现实系统环境100的示例包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140，但任何数量的这些部件可以被包括在人工现实系统环境100中，或者可以省略任何部件。例如，可以有多个近眼显示器120由与控制台110通信的一个或多个外部成像设备150监测。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、任选的输入/输出接口140和任选的控制台110。在替代配置中，不同的或附加的部件可以被包括在人工现实系统环境100中。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频中或它们的任何组合的一种或多种。在一些实施方案中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或双耳式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或两者接收音频信息并基于音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性体，该刚性体可以刚性地或非刚性地彼此耦合。刚性体之间的刚性耦合可以使耦合的刚性体充当单个刚性实体。刚性体之间的非刚性耦合可以允许刚性体相对于彼此移动。在各种实施方案中，近眼显示器120可以被实施为任何适当的形状因子，包括一副眼镜。下文相对于图2和图3进一步描述了近眼显示器120的一些示例。此外，在各种实施方案中，本文描述的功能性可以用于头戴式耳机中，该头戴式耳机组合了近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)增强近眼显示器120外部的物理现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各种示例中，近眼显示器120可以包括显示电子设备122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一者或多者。在一些实施方案中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128以及惯性测量单元(IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛跟踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者在各种实施方案中包括附加元件。此外，在一些实施方案中，近眼显示器120可以包括组合了与图1结合描述的各种元件功能的元件。

显示电子系统122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或方便向用户显示图像。在各种实施方案中，显示电子系统122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic lightemitting diode，OLED)显示器、无机发光二极管(inorganic light emitting diode，ILED)显示器、微型发光二极管(micro light emitting diode，μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(active-matrix OLED display，AMOLED)、透明OLED显示器(transparent OLEDdisplay，TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器120的一种实施方式中，显示电子系统122可以包括前TOLED面板、后显示面板和前显示面板与后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器、或衍射或光谱膜)。显示电子系统122可以包括像素，以发射主色调(诸如，红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光。在一些实施方式中，显示电子系统122可以通过二维面板生成的立体效果显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子系统122可以包括分别定位于用户左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像副本，以创建立体效果(即，观看图像的用户感知到图像深度)。

在某些实施方案中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光学波导和耦合器)显示图像内容或者放大从显示电子系统122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并且向近眼显示器120的用户呈现校正的图像光。在各种实施方案中，显示光学器件124可以包括一个或多个光学元件，例如，基板、光学波导、孔、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤波器、输入/输出耦合器或可以影响从显示电子系统122发射的图像光的任何其他适当的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦合，以维持组合中光学元件的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、过滤涂层或不同光学涂层的组合。

显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子系统122相较于较大的显示器在物理上更小、重量更轻且消耗更少功率。此外，放大可以增大所显示内容的视场。可以通过调节、增加或从显示光学器件124去除光学元件来改变显示光学器件124对图像光的放大量。在一些实施方案中，显示光学器件124可以向一个或多个图像平面投射所显示的图像，该图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。

显示光学器件124还可以被设计为校正一个或多个类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其任何组合。二维误差可以包括发生于二维中的光学象差。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括发生于三维中的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差、彗星像差、像场弯曲和像散。

定位器126可以是相对于彼此以及相对于近眼显示器120上的参考点而定位于近眼显示器120上特定位置处的对象。在一些实施方式中，控制台110可以在外部成像设备150捕获的图像中识别定位器126、以确定人工现实头戴式耳机的位置、取向或两者。定位器126可以是发光二极管(light-emitting diode，LED)、角隅棱镜反射器、反射型标记、与近眼显示器120在其中操作的环境形成反差的一种光源或它们的任何组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型光发射设备)的实施方案中，定位器126可以发射处于可见频带(例如，约380nm至750nm)中、处于红外(IR)频带(例如，约750nm至1mm)中，处于紫外频带(例如，约10nm至约380nm)中、处于电磁频谱的另一部分中、或处于电磁频谱的各部分的任何组合中的光。

外部成像设备150可以包括一个或多个照相机、一个或多个摄像机、能够捕获包括定位器126中的一个或多个的图像的任何其他设备、或其任何组合。此外，外部成像设备150可以包括一个或多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。外部成像设备150可以配置为在外部成像设备150的视场中检测从定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，逆向反射器(retroreflector)的实施方案中，外部成像设备150可以包括照亮一些或全部定位器126的光源，该定位器可以向外部成像设备150中的光源逆向反射光。慢速校准数据可以从外部成像设备150通信到控制台110，并且外部成像设备150可以从控制台110接收一个或多个校准参数，以调节一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧频、传感器温度、快门速度、光圈等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速计、陀螺仪、磁力仪、其他运动检测或误差校正传感器或其任何组合。例如，在一些实施方案中，位置传感器128可以包括多个加速度计以测量平移运动(例如，正向/反向、上/下或左/右)，以及多个陀螺仪以测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或翻滚)。在一些实施方案中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。

IMU 132可以是基于从位置传感器128中的一个或多个接收的测量信号生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于IMU 132外部、IMU 132内部或它们的任何组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示近眼显示器120相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间推移而对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度矢量，并且随时间推移而对速度矢量积分、以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，该控制台可以确定快速校准数据。尽管参考点一般地可以被定义为空间中的点，但在各种实施方案中，参考点也可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛跟踪单元130可以包括一个或多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛的位置，包括眼睛相对于近眼显示器120的取向和位置。眼睛跟踪系统可以包括成像系统以对一只或多只眼睛成像，并且可以任选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元130可以包括发射处于可见光谱或红外光谱中的光的非相干或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获用户眼睛反射的光的相机。作为另一示例，眼睛跟踪单元130可以捕获反射的由微型雷达单元发射的无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，该低功率光发射器在不会损伤眼睛或导致身体不适的频率和强度下发射光。眼睛跟踪单元130可以布置为增大眼睛跟踪单元130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，降低眼睛跟踪单元130中所包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元130可以消耗少于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的取向，例如，以确定用户的瞳孔间距(inter-pupillary distance，IPD)、确定注视方向、引入深度提示(例如，使用户主视线外部的图像模糊)，收集VR媒体中的关于用户交互的启发(例如，作为所暴露的刺激的函数而在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)，部分基于用户眼睛中的至少一只的取向的一些其他功能，或其任何组合。因为可以针对用户的两只眼睛来确定取向，所以眼睛跟踪单元130可以能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户注视方向可以包括基于用户左眼和右眼的所确定的取向来确定会聚点。会聚点可以是用户眼睛的两个中央凹轴(fovea axis)相交的点。用户注视的方向可以是通过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用程序或在应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并且向控制台110通信所接收的动作请求的任何其他适当的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被通信到控制台110，该控制台可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施方案中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，输入/输出接口140可以在接收到动作请求时、或者在控制台110已经执行所请求动作并向输入/输出接口140通信指令时提供触觉反馈。在一些实施方案中，可以使用外部成像设备150以跟踪输入/输出接口140，例如跟踪控制器(可以包括例如IR光源)或用户的手的位置或定位，以确定用户的运动。在一些实施方案中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像设备，以跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器或用户的手的位置或定位，以确定用户的运动。

控制台110可以根据从外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或多个接收的信息向用于呈现给用户的近眼显示器120提供内容。在图1中所示的示例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴式耳机跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施方案可以包括与相对于与图1结合描述的那些不同的或附加的模块。下文进一步描述的功能可以通过与本文所述不同的方式分布于控制台110的部件之间。

在一些实施方案中，控制台110可以包括处理器以及存储可以由处理器执行的指令的非暂态计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如，硬盘驱动器、可移除存储器或固态驱动器(例如，闪存存储器或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM))。在各种实施方案中，与图1结合描述的控制台110的模块可以被编码为非暂态计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，该指令使处理器执行下文进一步描述的功能。

应用程序商店112可以存储由控制台110执行的一个或多个应用程序。应用程序可以包括一组指令，该一组指令在由处理器执行时生成用于向用户呈现的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由用户眼睛移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入。应用程序的示例包括：游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。

头戴式耳机跟踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式耳机跟踪模块114可以使用所观测定位器从慢速校准信息和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点位置。头戴式耳机跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施方案中，头戴式耳机跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息的部分或其任何组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式耳机跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计的或预测的未来位置。

人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序并且从头戴式耳机跟踪模块114接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测的未来位置或其任何组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和取向信息。基于所接收的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给用于向用户呈现的近眼显示器120的内容。例如，如果所接收的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映出用户眼睛的移动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求在控制台110上执行的应用程序内执行动作，并向用户提供指示已经执行该动作的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉或听觉反馈或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪单元130接收眼睛跟踪数据并基于眼睛跟踪数据；来确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或其任何元件的取向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的位置而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛跟踪模块118更准确地确定眼睛的取向。

图2为用于实施本文中公开的一些示例的HMD设备200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD设备200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统的一部分或其任何组合。HMD设备200可以包括本体220和头带230。图2示出了立体图中的本体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的本体220与头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头上。在各种实施方案中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施方案中，HMD设备200可以包括如例如以下图3所示的眼镜腿和腿套，而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现媒体，该媒体包括物理、现实环境与计算机生成的要素的虚拟和/或增强视图。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)或三维(3D)图像)、视频(例如，2D或3D视频)、音频或其任何组合。图像和视频可以由HDM设备200的本体220中包封的一个或多个显示器组件(图2中未示出)向用户的每只眼睛呈现。在各种实施方案中，一个或多个显示器组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，针对用户的每只眼睛一个显示面板)。一个或多个电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、一些其他显示器或其任何组合。HMD设备200可以包括两个眼盒(eyebox)区域。

在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用用于感测的结构化光图案。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HDM设备200内的应用程序并从各个传感器接收HDM设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其任何组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于产生到一个或多个显示器组件的信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括在本体220上相对于彼此并且相对于参考点定位于固定位置的定位器(未示出，例如定位器126)。每个定位器可以发射由外部成像设备可检测的光。

图3为用于实施本文中公开的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实现，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来进行操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施方案中，显示器310可以包括显示电子系统和/或显示光学器件。例如，如上文参考图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以包括框架305上或框架内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据的一个或多个图像传感器。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以作为输入设备使用以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施方案中，传感器350a-350e还可以用于立体成像。

在一些实施方案中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照射器330、以将光投射到物理环境中。所投射的光可以与不同频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，一个或多个照射器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以辅助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施方案中，一个或多个照射器330可以用于向环境内的对象上投射特定光图案。在一些实施方案中，一个或多个照射器330可以作为定位器使用，诸如上文相对于图1描述的定位器126。

在一些实施方案中，近眼显示器300还可以包括高分辨率照相机340。高分辨率照相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以由例如虚拟现实引擎(例如，图1的虚拟现实引擎116)处理、以向所捕获的图像添加虚拟对象或者修改所捕获的图像中的物理对象，并且可以由用于AR或MR应用的显示器310将所处理的图像显示给用户。

图4示出了根据某些实施方案的包括波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施方案中，光源或图像源412可以包括一个或多个如上所述的微型LED设备。在一些实施方案中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施方案中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED和/或如上所述的微型LED。在一些实施方案中，图像源412可以包括多个光源(例如，如上所述的微型LED的阵列)，每个光源均发射对应于基色(例如，红、绿或蓝)的单色图像光。在一些实施方案中，图像源412可以包括微型LED的三个二维阵列，其中微型LED的每个二维阵列可以包括配置为发射基色(例如，红、绿或蓝)光的微型LED。在一些实施方案中，图像源412可以包括光学图案发生器，例如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如扩展、准直、扫描来自图像源412的光或将来自图像源的光投射到组合器415。一个或多个光学部件可以包括，例如，一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、孔和/或光栅。例如，图像源412可以包括微型LED的一个或多个一维阵列或细长的二维阵列，并且投影仪光学器件414可以包括配置为扫描微型LED的一维阵列或细长的二维阵列以生成图像帧的一个或多个一维扫描仪(例如，微镜或棱镜)。在一些实施方案中，投影仪光学器件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜允许扫描来自图像源412的光。

组合器415可以包括用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的基板420中的输入耦合器430。组合器415可以透射至少50％的第一波长范围的光，并反射至少25％的第二波长范围的光。例如，第一波长范围可以是约400nm至约650nm的可见光，并且第二波长范围可以处于红外波段，例如，从约800nm至约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)(例如，表面浮雕光栅)、基板420的倾斜表面或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。例如，输入耦合器430可以包括反射体布拉格光栅或透射体布拉格光栅。输入耦合器430可以具有针对可见光大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦合到基板420中的光可以通过例如全内反射(total internalreflection，TIR)在基板420内传播。基板420可以是一副眼镜的透镜的形式。基板420可以具有平坦的或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。基板的厚度可以在例如小于约1mm至约10mm或更大的范围内。基板420可以对可见光是透明的。

基板420可以包括或者可以耦合到多个输出耦合器440，各输出耦合器配置为从基板420提取由基板420引导并且在基板内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光460引导到眼盒495，在该眼盒中可以在使用增强现实系统400时定位增强现实系统400的用户的眼睛490。多个输出耦合器440可以复制出瞳以增大眼盒495的尺寸，使得所显示的图像可以在更大区域中可见。如输入耦合器430那样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他衍射光学元件(DOE)、棱镜等。输出耦合器440可以包括反射体布拉格光栅或透射体布拉格光栅。输出耦合器440可以在不同位置具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基板420还可以允许来自组合器415前方环境中的光450以很少的损失或没有损失地通过。输出耦合器440还可以允许光450以很少损失地通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对光450可以具有非常低的衍射效率，使得光450可以被折射或以其他方式以很少损失地通过输出耦合器440，因此可以具有相较于所提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440可以对光450具有高的衍射效率，并且光450可以以很少损失衍射到某些期望方向(即，衍射角)。结果，用户能够查看组合器415前方环境的组合图像和由投影仪410投影的虚拟对象的图像。

在一些实施方案中，投影仪410、输入耦合器430和输出耦合器440可以位于基板420的任一侧。输入耦合器430和输出耦合器440可以是反射式光栅(也称为反射式光栅)或透射式光栅(也称为透射式光栅)，以将显示光耦合到基板420或耦合出基板。

图5示出了根据某些实施方案的包括用于出瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统500的示例。增强现实系统500可以类似于增强现实系统500，并且可以包括波导显示器和投影仪，该投影仪可以包括光源或图像源510和投影仪光学器件520。波导显示器可以包括如上所述的关于增强现实系统500的基板530、输入耦合器540和多个输出耦合器550。然而图5仅示出了来自单个视场的光的传播，图5示出了来自多个视场的光的传播。

图5示出了出瞳由输出耦合器550复制以形成聚集的出瞳或眼盒，其中视场中的不同区域(例如，图像源510上的不同像素)可以与朝向眼盒的不同的相应传播方向相关，并且来自相同视场(例如，图像源510上的相同像素)的光对于不同个体出瞳可以具有相同的传播方向。因此，图像源510的单个图像可以由位于眼盒中的任何位置的用户的眼睛形成，其中来自不同个体出瞳并且在相同方向上传播的光可以在图像源510上的相同像素，并且可以聚焦到用户眼睛的视网膜上的相同位置上。图5示出了即使用户的眼睛移动到眼盒中的不同位置，用户的眼睛也可以看到图像源的图像。

图6示出了在包括波导610和光栅耦合器620的示例波导显示器600中显示光640和外部光630的传播。波导610可以是平面的或弯曲的透明基板，折射率n₂大于自由空间折射率n₁(例如，1.0)。例如，光栅耦合器620可以是布拉格光栅或表面浮雕光栅。

显示光640可以通过例如图4的输入耦合器430或上述其他耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)耦合到波导610中。显示光640可以通过例如全内反射在波导610内传播。当显示光640到达光栅耦合器620时，显示光640可以被光栅耦合器620衍射成例如第0级衍射(即，反射)光642和第1级衍射光644。该第0级衍射可以在波导610内传播，并且可以在不同位置处被波导610的底表面朝向光栅耦合器620反射。第1级衍射光644可以朝向用户的眼睛耦合出(例如，折射)波导610，因为在波导610的底表面处可能由于衍射角而不满足全内反射条件。

外部光630也可以由光栅耦合器620衍射成例如第0级衍射光632和第1级衍射光634。第0级衍射光632和第1级衍射光634都可以朝向用户的眼睛折射出波导610。因此，光栅耦合器620可以充当用于将外部光630耦合到波导610中的输入耦合器，并且还可以充当用于将显示光640耦合出波导610的输出耦合器。因此，光栅耦合器620可以充当用于组合外部光630和显示光640的组合器。通常，对于外部光630(即，透射式衍射)的光栅耦合器620(例如，表面浮雕光栅耦合器)的衍射效率与对于显示光640(即，反射式衍射)的光栅耦合器620的衍射效率可以是相似或类似的。

为了在期望的方向上朝向用户的眼睛衍射光并且对于某些衍射级实现期望的衍射效率，光栅耦合器620可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜光栅，例如倾斜布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中光栅脊和光栅槽可以相对于光栅耦合器620或波导610的表面法线倾斜。

图7示出了根据某些实施方案的波导显示器700中的倾斜光栅720的示例。倾斜光栅720可以是输入耦合器430、输出耦合器440或光栅耦合器620的示例。波导显示器700可以包括波导710上的倾斜光栅720，诸如基板420或波导610。倾斜光栅720可以充当用于将光耦合到或耦合出波导710的光栅耦合器。在一些实施方案中，倾斜光栅720可以包括具有周期p的一维周期结构。例如，倾斜光栅720可以包括多个脊722和脊722之间的槽724。倾斜光栅720的每个周期可以包括脊722和槽724，该脊和槽可以是气隙或填充有具有折射率n_g2的材料的区域。脊722的宽度d与栅周期p之间的比率可以被称为占空比(duty cycle)。倾斜光栅720可以具有例如约10％至约90％或更大的占空比。在一些实施方案中，占空比可以随周期而变化。在一些实施方案中，倾斜光栅的周期p可以从倾斜光栅720上的一个区域到另一个区域是变化的，或者可以在倾斜光栅720上的一个周期到另一个周期(即，啁啾(chirped))是变化的。

脊722可以由折射率为n_g1的材料制成，诸如含硅材料(例如，SiO₂、Si₃N₄、SiC、SiO_xN_y或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(spin on carbon，SOC)或非晶碳层(ACL)或类金刚石碳(diamond like carbon，DLC))、或无机金属氧化物层(例如，TiO_x、AlO_x、TaO_x、HfO_x等)。每个脊722可以包括具有倾斜角度α的前缘730和具有倾斜角度β的后缘740。在一些实施方案中，每个脊722的前缘730和后缘740可以彼此平行。换句话说，倾斜角度α近似等于倾斜角度β。在一些实施方案中，倾斜角度α可以不同于倾斜角度β。在一些实施方案中，倾斜角度α可以近似等于倾斜角度β。例如，倾斜角度α与倾斜角度β之间的差可以小于20％、10％、6％、1％或更小。在一些实施方案中，倾斜角度α和倾斜角度β可以在例如约30°或更低至约70％或更高的范围内。

在一些实施方式中，脊722之间的槽724可以被外涂覆或填充有具有相较于脊722的材料的折射率更高或更低的折射率n_g2的材料。例如，在一些实施方案中，高折射率材料(诸如，二氧化铪、二氧化钛、钽氧化物、钨氧化物、锆氧化物、镓硫化物、镓氮化物、镓磷化物、硅)和高折射率聚合物可以被用来填充槽724。在一些实施方案中，低折射率材料(诸如，二氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物))可以被用来填充槽724。结果，脊的折射率与槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。

使用人工现实系统的用户体验可能取决于人工现实系统的几个光学特性，包括视场(field of view，FOV)、图像质量(例如，分辨率)、系统的眼盒尺寸(以适应眼睛和/或头部移动)、眼距的距离、光频宽和所显示图像的亮度。一般来说，FOV和眼盒需要尽可能大，光频宽需要覆盖可见频带，并且显示图像的亮度需要足够高(特别是对于光学透视AR系统)。

在波导类近眼显示器中，显示器的输出区域可以比近眼显示系统的眼盒的尺寸大得多。可以到达用户眼睛的光的部分可以取决于眼盒的尺寸与显示器的输出区域之间的比率，在某些情况下，对于特定的眼距和视场，该比率可以小于10％。为了达到用户眼睛所感知的显示图像的期望亮度，可能需要显著增加来自投影仪或光源的显示光，这可能会增加功耗并引起一些安全问题。

图8A示出了波导类近眼显示器的示例，其中用于所有视场的显示光基本上均匀地从波导显示器810的不同区域输出。近眼显示器可以包括投影仪820和波导显示器810。投影仪820可以类似于投影仪410，并且可以包括类似于光源或图像源412的光源或图像源以及类似于投影仪光学器件414的投影仪光学器件。波导显示器810可以包括波导(例如，基板)、一个或多个输入耦合器812以及一个或多个输出耦合器814。输入耦合器812可以被配置为将来自不同视场(或视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器814可以被配置为将显示光耦合出波导。输入和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或体布拉格光栅。在图8所示的示例中，输出耦合器814可以跨输出耦合器的整个区域具有类似的光栅参数，而不是可以改变以调节耦合效率以获得更均匀输出光的参数。因此，显示光可以以类似于图8A所示的方式在波导显示器810的不同区域被部分地耦合出波导，其中来自近眼显示器的所有视场的显示光可以在波导显示器810的任何给定区域处被部分耦合出波导。

如图8A所示。近眼显示系统可以在特定眼盒位置890处具有眼盒，并且该眼盒具有受限的尺寸并因此具有受限的视场830。因此，并非耦合出波导显示器810中波导的所有光都可以到达眼盒位置890处的眼盒。例如，来自波导显示器810的显示光832、834和836可能不会到达眼盒位置890处的眼盒，因此可能不会被用户的眼睛接收，这可能导致来自投影仪820的光功率的显著损失。

在某些实施方案中，用于波导类显示器的光耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅)可以包括含有多个区域(或多个多路复用光栅)的光栅耦合器，其中，光栅耦合器的不同区域可以对于入射显示光具有不同的角度选择性特性(例如，构造性干涉条件)，使得在波导类显示器的任何区域处的最终不会到达用户眼睛的衍射光可以被抑制(即，可以不被光栅耦合器衍射从而耦合到波导中或耦合出波导，且因此可以继续在波导内传播)，而最终到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并耦合到波导中或耦合出波导。

图8B示出了根据某些实施方案的波导类近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导显示器840的不同区域中以不同角度耦合出波导显示器。波导显示器840可以包括波导(例如，基板)、一个或多个输入耦合器842、以及一个或多个输出耦合器844。输入耦合器842可以被配置为将来自不同视场(或视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器844可以被配置为将显示光耦合出波导。输入和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或其他类型光栅或反射器。输出耦合器可以在输出耦合器的不同区域具有不同的光栅参数，且因此具有不同的角度选择性特性。因此，在输出耦合器的每个区域，只有在近眼显示器的眼盒位置890处、在特定角度范围内朝向眼盒传播的显示光可以耦合出波导，而其他显示光可能不满足该区域处的角度选择性条件，因此可能不会耦合出波导。在一些实施方案中，输入耦合器还可以在输入耦合器的不同区域处具有不同的光栅参数，从而具有不同的角度选择性特性，因此，在输入耦合器的每个区域处，只有来自相应视场的显示光可以耦合到波导中。因此，耦合到波导中并在波导中传播的大部分显示光可以有效地递送到眼盒，从而改善了波导类近眼显示系统的功率效率。

倾斜表面浮雕光栅的折射率调制以及倾斜表面浮雕光栅的其他参数(诸如，光栅周期、倾斜角、占空比、深度等)可以被配置为在特定入射角范围(例如，FOV)和/或在特定衍射方向的特定波长带内(例如，在视场830所示的角度范围内)选择性地衍射入射光。例如，当折射率调制较大(例如，>0.2)时，可以在输出耦合器处实现大角度带宽(例如，>10°)，以为波导类近眼显示系统提供足够大的眼盒。

图9A示出了根据某些实施方案的具有可变蚀刻深度的倾斜光栅900的示例。倾斜光栅900可以包括基板910(例如，玻璃基板)和形成在基板910上的光栅层920(例如，电介质层或聚合物层)。可以在光栅层920中蚀刻或以其他方式形成(例如，压印)多个光栅槽922。光栅槽922可以具有不均匀的深度、宽度和/或间隔。因此，倾斜光栅900可以具有可变的光栅周期、深度和/或占空比。

图9B示出了根据某些实施方案的具有可变蚀刻深度和占空比的倾斜光栅905的示例。在图9B所示的示例中，倾斜光栅905可以在电介质层930中蚀刻，该电介质层可以具有例如介于约1.46与约2.4之间的折射率。如图所示，倾斜光栅905可以在不同区域处具有不同的蚀刻深度和占空比。光栅化周期在不同区域也可能不同。因此，倾斜光栅905的不同区域可以具有如上面参照例如图8B所描述的不同的期望衍射特性。

可以使用许多不同的纳米制造技术来制造具有在上述光栅的区域上变化的参数和配置(例如，占空比、深度或折射率调制)的表面浮雕光栅以及其他表面浮雕光栅(例如，用于眼睛跟踪的光栅)。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，外涂层)工艺。该图案化工艺可以用来形成倾斜光栅的倾斜脊或槽。可能存在许多不同的纳米制造技术来形成倾斜脊。例如，在一些实施方式中，可以使用包括倾斜蚀刻的光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(nanoimprint lithography，NIL)模制技术来制造倾斜光栅，其中可以使用例如倾斜蚀刻技术来制造包括倾斜结构的母模具，然后可以使用该母模具来模制倾斜光栅或用于纳米压印的不同代软质印模。可以使用后图案化工艺来对倾斜脊进行外涂覆、和/或用具有与倾斜脊不同折射率的材料来填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺(例如，外涂涂覆和平坦化)可以独立于图案化工艺。因此，可以使用任何图案化技术在制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。

在NIL模制工艺中，基板(例如，波导)可以涂覆有NIL树脂层。NIL树脂层可以包括，例如，掺杂有溶胶-凝胶前体(例如，丁醇钛)的丙烯酸丁酯类树脂、含有用于后续浸渍工艺的反应性官能团的单体(例如，丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，钛氧化物、锆氧化物、铪氧化物、钨氧化物、碲锌或镓磷化物)。在一些实施方案中，NIL树脂层可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。可以通过例如旋转涂覆、层压或喷墨打印在基板上沉积NIL树脂层。其上形成有纳米结构的NIL模具可以压靠在NIL树脂层和基板上，以用于在NIL树脂层中模制纳米结构。随后可以使用热和/或紫外(UV)光固化(例如，交联)NIL树脂层。固化后，可以将NIL模具从NIL树脂层和基板上脱离。在NIL模具从NIL树脂层和基板分离之后，可以在基板上的NIL树脂层中形成与NIL模具中的纳米结构互补的纳米结构(例如，倾斜光栅)。

在一些实施方案中，可以首先使用例如倾斜蚀刻、微机加工或3-D打印来制造NIL母模具(例如，包括诸如Si、SiO₂、Si₃N₄或金属的刚性材料的硬质模具)。可以使用NIL母模具来制造软质印模，然后该软质印模可以作为工作印模使用以制造倾斜光栅，或者可以用来制造下一代软质印模。在这样的工艺中，NIL母模具中的倾斜光栅结构可以类似于用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅，并且软质印模上的倾斜光栅结构可以与NIL母模具中的倾斜光栅结构和用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅互补。与硬质印模或硬质模具相比，软质印模在模制和脱模工艺中可以提供更多的灵活性。

图10A至图10D示出了根据某些实施方案的用于制造纳米压印用软质印模的工艺1000的示例。图10A示出了母模具1010(例如，硬质模具或硬质印模)。母模具1010可以包括刚性材料，诸如半导体基板(例如，Si或GaAs)、氧化物(例如，SiO₂、Si₃N₄、TiO_x、AlO_x、TaO_x或HfO_x)或金属板。例如，可以使用例如用活性离子束或化学辅助活性离子束的倾斜蚀刻工艺、微机加工工艺或3D打印工艺来制造母模具1010。如图10A所示，母模具1010可以包括倾斜光栅1020，该倾斜光栅又可以包括多个倾斜脊1022，在倾斜脊1022之间具有间隙1024(称为槽)。

图10B示出了涂覆有软质印模材料层1030的母模具1010。软质印模材料层1030可以包括例如树脂材料或固化性聚合物材料。在一些实施方案中，软质印模材料层1030可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，软质印模材料层1030可以包括乙烯四氟乙烯(ethylene tetrafluoroethylene，ETFE)、全氟聚醚(perfluoropolyether，PFPE)或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。在一些实施方案中，可以通过例如旋转涂覆或喷墨打印在母模具1010上涂覆软质印模材料层1030。

图10C示出了用于将软质印模箔1040层压到软质印模材料层1030上的层压工艺。辊1050可以用于将软质印模箔1040压在软质印模材料层1030上。层压工艺也可以是平坦化工艺，以使软质印模材料层1030的厚度基本上均匀。在层压工艺之后，可以将软质印模箔1040紧密或牢固地附着到软质印模材料层1030。

图10D示出了层离工艺，其中将包括软质印模箔1040和附着的软质印模材料层1030的软质印模从母模具1010分离。软质印模材料层1030可以包括与母模具1010上的倾斜光栅结构互补的倾斜光栅结构。由于软质印模箔1040和附着的软质印模材料层1030的柔性，与使用硬质印模或模具的脱模工艺相比，层离工艺可以相对容易。在一些实施方案中，可以在层离工艺中使用辊(例如，辊1050)以确保恒定或受控的层离速度。在一些实施方案中，在层离期间可以不使用辊1050。在一些实施方式中，在将软质印模材料层1030涂覆在母模具1010上之前，可以在母模具1010上形成防粘层。防粘层可以促进层离工艺。在从母模具1010层离软质印模之后，该软质印模可以用于在波导显示器的波导上模制倾斜光栅。

图11A至图11D示出了根据某些实施方案的使用软质印模的压印工艺1100的示例。图11A示出了涂覆有压印树脂层1120的波导1110。压印树脂层1120可以包括，例如，掺杂有溶胶-凝胶前体(例如，丁醇钛)的丙烯酸丁酯类树脂、含有用于后续浸渍工艺的反应性官能团的单体(例如，丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，TiO₂,NbO_x,ZrO₂,GaP,HfO₂,WO₃,GaAs等)。在一些实施方案中，压印树脂层1120可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，压印树脂层1120可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。压印树脂层1120可以通过例如旋转涂覆、层压或喷墨打印沉积在波导1110上。包括附着到软质印模箔1140的倾斜脊1132的软质印模1130可以用于压印。

图11B示出了将软质印模1130层压在压印树脂层1120上。可以使用辊1150将软质印模1130压靠在压印树脂层1120和波导1110上，使得能够将倾斜脊1132压入压印树脂层1120中。随后可以固化压印树脂层1120。例如，压印树脂层1120可以使用热和/或紫外(UV)光进行交联。

图11C示出了软质印模1130从压印树脂层1120层离。可以通过抬起软质印模箔1140来执行层离以将软质印模1130的倾斜脊1132从压印树脂层1120上分离。压印树脂层1120现在可以包括倾斜光栅1122，该倾斜光栅1122可以作为光栅耦合器使用，或者可以被外涂覆以形成用于波导显示器的光栅耦合器。如上所述，由于软质印模1130的灵活性，与使用硬质印模或模具的脱模工艺相比，层离工艺可能相对容易。在一些实施方案中，可以在层离工艺中使用辊(例如，辊1150)以确保恒定或受控的层离速度。在一些实施方案中，在层离期间可以不使用辊1150。

图11D示出了使用软质印模1130在波导1110上形成的压印倾斜光栅1122的示例。如上所述，倾斜光栅1122可以包括脊以及脊之间的槽，并且因此可以用具有不同于压印树脂层1120的折射率的材料来外涂覆、以填充槽并形成用于波导显示器的光栅耦合器。

倾斜光栅上的周期可以在倾斜光栅1122上从一个区域到另一个区域是变化的，或者可以在倾斜光栅1122上从一个周期到另一个周期(即，啁啾)是变化的。倾斜光栅1122可以具有例如约11％至约100％或更大的占空比。在一些实施方案中，占空比可以随周期而变化。在一些实施方案中，倾斜光栅1122的槽的深度或脊的高度可以大于约50nm、约110nm、约200nm、约300nm、约400nm或更高。倾斜光栅1122的脊的前缘的倾斜角和倾斜光栅1122的脊的后缘的倾斜角可以大于约30°、约45°、约60°或更高。在一些实施方案中，倾斜光栅1122的每个脊的前缘和后缘可以彼此平行。在一些实施方案中，倾斜光栅1122的脊的前缘的倾斜角与倾斜光栅1122的脊的后缘的倾斜角之间的差可以小于约20％、约11％、约5％、约1％或更小。

可以制作不同代的NIL印模，并将其用作工作印模以模制倾斜光栅。例如，在一些实施方案中，可以在例如半导体基板、石英或金属板中制造(例如，蚀刻)母模具(其可以被称为第0代模具)。母模具可以是硬质印模，并且可以作为工作印模使用来直接模制倾斜光栅，这也可以称为硬质印模NIL或硬质NIL。在这种情况下，模具上的倾斜结构可以与作为波导显示器上的光栅耦合器使用的倾斜光栅的所需倾斜结构互补。

为了保护NIL母模具，可以首先制造NIL母模具，然后可以使用NIL母模具制造混杂印模(其可以称为第一代模具或印模)。该混杂印模可以作为工作印模使用以用于纳米压印。混杂印模可以包括硬质印模、软质印模或硬质-软质印模。使用软质印模的纳米压印可以被称为软质印模NIL或软质NIL。在一些实施方案中，混杂模具可以包括具有软质或硬质图案化聚合物(例如，具有约1Gpa的杨氏模量)的塑料背板。在一些实施方案中，混杂模具可以包括具有软质或硬质图案化聚合物(例如，具有约1Gpa的杨氏模量)的玻璃背板。在一些实施方案中，混杂模具可以包括具有软质或硬质图案化聚合物的玻璃/塑料层压背板。在一些实施方案中，可以从第一代模具制造第二代混杂模具，然后可以将第二代混杂模具作为用于纳米压印的工作印模使用。在一些实施方案中，可以制造第三代混杂模具、第四代混杂模具等，并将其作为工作印模使用。NIL模制可以显著降低制造倾斜表面浮雕结构的成本，因为模制工艺可能比蚀刻工艺快得多，并且可能不需要昂贵的反应离子蚀刻设备。

图12A至图12C示出了根据某些实施方案使用压印工艺在表面浮雕光栅上形成平坦化外涂层的方法的示例。图12A示出了可以在基板1210上的表面浮雕光栅1220上分配如上所述的外涂层材料、以形成外涂层1230。可以通过例如旋转涂覆或喷墨打印来分配外涂层材料。可以基于光栅槽的尺寸和所需的外包覆(overburden)的厚度(例如，光栅脊顶部上的外涂层的部分)来确定分配在表面浮雕光栅1220上的外涂层材料的量。例如，如上所述，可能希望外包覆的厚度小于约20nm。在分配了外涂层材料之后，外涂层1230的顶表面可能不是如所示示例中示出的那样平坦。例如，在光栅脊区域处的顶表面的高度可以大于在光栅槽区域的顶表面处的高度。

在一些实施方案中，可以任选地烘烤外涂层以从外涂层中去除溶剂。当采用旋转涂覆技术时，可能在光栅槽中发生空气滞留(例如，气泡)。外涂层材料中的溶剂可能没有完全蒸发。溶剂和/或滞留空气可能导致外涂层的折射率变化和效率损失。当光栅槽相对较深(例如，120nm、200nm、300nm或更大)时、当光栅槽相对较窄(例如，具有大占空比的光栅)时、和/或当光栅脊的倾斜角度相对较大(例如大于约30°、45°、50°、70°或更大)时，问题可能加剧。烘烤可以帮助去除溶剂和滞留空气，使得外涂层中的外涂层材料更加均匀或均质。

图12B示出了在压印工艺中，可以将平面压印印模1240(例如，上述软质印模或模具)层压或以其他方式施加在外涂层1230上。如上所示，在一些实施方案中，平面压印印模1240可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，平面压印印模1240可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。接触外涂层1230的平面压印印模1240的底表面可以具有低表面粗糙度。平面压印印模1240可以例如使用如上参照例如图12B所述的辊压靠在外涂层1230上。因此，可以将光栅脊的顶部上的外涂层材料的某些部分强制施加到光栅槽的顶部上的区域，并且可以将平面压印印模1240的平底表面转移到外涂层1230的顶表面。

然后可以固化(例如，使用紫外光)外涂层，以如上所述将基础树脂交联并固定在外涂层材料中。在外涂层材料的固化和交联之后，平面压印印模可以从外涂层和表面浮雕光栅层离或以其他方式分离，如上面参照例如图12C所述。

图12C示出了，在平面压印印模1240的层离之后，外涂层1230的顶表面可以是平坦且光滑的。此外，外包覆层可以非常薄，例如小于约20nm。

图13A和图13B示出了根据某些实施方案在具有可变光栅参数的表面浮雕光栅上形成平坦化外涂层的方法的示例。图13A示出了包括基板1310(或光栅材料层或波导)上的光栅脊1320的表面浮雕光栅1300，其中表面浮雕光栅1300的占空比和倾斜角度可以在不同区域间变化。喷墨打印或3D打印技术可以用来在表面浮雕光栅1300的不同区域中分配不同量的外涂层材料1330。例如，可以在光栅槽的尺寸较大的区域中分配较多数量的外涂层材料1330的小滴，并且可以在光栅槽的尺寸较小的区域中沉积较少数量的外涂层材料1330的小滴。通过分配外涂层材料1330的小滴，可以更精确地控制所分配的外涂层材料的量。

图13B示出了例如在可选的烘烤工艺以去除溶剂和/或滞留空气之后、可以将平面压印印模1340层压或以其他方式施加在外涂层材料1330上。平面压印印模1340可以例如使用如上参照例如图10C所述的辊压靠在外涂层材料1330上。因此，可以将光栅脊1320顶部上的外涂层材料1330的某些部分强制施加到光栅槽的顶部上的区域，并且可以将平面压印印模1340的平底表面转移到由外涂层材料1330形成的外涂层的顶表面。然后可以固化(例如，使用紫外光)外涂层材料1330，以如上所述交联并固定基础树脂。在外涂层材料1330的固化和交联之后，平面压印印模1340可以从外涂层材料层和表面浮雕光栅层离或以其他方式分离，如上面参照例如图10C所述的。以这种方式，外涂层的顶表面可以是平坦的。因为可以更精确地控制所分配的外涂层材料的量，所以可以更精确地控制外包覆层的厚度，并且该外包覆层可以非常薄，诸如小于约20nm、小于约10nm或更小。

通常，希望在光栅脊与外涂层之间具有大的折射率对比度，以改善例如近眼显示系统的光耦合效率、视场范围和波长范围。在一些表面浮雕光栅中，可以使用上面参照例如图10A至图11D所述的纳米压印技术在高折射率材料层(例如，包括具有高折射率纳米颗粒的树脂)中形成光栅脊，并且可以使用具有低折射率的外涂层来实现大的折射率对比度。在一些表面浮雕光栅中，光栅脊可以由低折射率材料(例如，玻璃)制成，并且可以使用具有高折射率(例如，约2.0或更大)的外涂层来实现大的折射率对比度。用于光栅脊或外涂层的高折射率材料可以包括分散有高折射率纳米颗粒(诸如，TiO₂纳米颗粒、ZrO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒等)的树脂、或者可以包括溶胶-凝胶材料，该溶胶-凝胶材料包括溶液和高折射率氧化物前体(例如，钛前体)并且已经部分或完全凝聚成延伸网络。

相较于ZrO₂(例如，针对可见光的折射率为2.15)和一些其它材料(例如，金属氧化物，诸如NbO_x、LaO_x、TaO_x、Al₂O₃等)，TiO₂具有更高的折射率(例如，针对可见光大于约2.5)，因此可以与树脂材料混合以形成高折射率树脂(例如，具有约2.0或更高的折射率)，从而用于纳米压印或外涂覆。例如，包括90wt.％的ZrO₂纳米颗粒的200nm厚树脂层针对520nm的光可能具有约1.78的折射率，而包括90wt.％的TiO₂纳米颗粒的200nm厚树脂层针对520nm的光可能具有约2.05的折射率。然而，由于它的带隙能量(例如，约3.0至3.2eV)，TiO₂可以吸收紫外光(例如，波长λ<388nm)来将电子(e^-)激发到导带并在价带中留下空穴(h⁺)。电子和空穴可以迁移到纳米颗粒的表面、以还原和/或氧化与纳米颗粒相邻的反应物。

图14A示出了TiO₂纳米颗粒的光催化活性的示例。如所示的，当暴露于紫外光时，TiO₂颗粒中的电子可能被激发到导带，以产生自由电子和空穴。一些自由电子和空穴可能会在短时间内重新结合，从而以热或光子的形式释放能量。一些电子和空穴可能会迁移到TiO₂纳米颗粒的表面。光产生的空穴可能会通过OH^-和/或H₂O分子的氧化产生羟基自由基·OH，这些分子可能会被吸附在TiO₂纳米颗粒的表面上。光产生的电子可能促进吸附在TiO₂纳米颗粒表面的O₂分子的还原来形成超氧自由基阴离子·这些光产生的羟基自由基和超氧自由基可以反过来氧化和降解邻近的有机和/或无机材料。在图14A中示出的这些还原和氧化反应可以分别用于光催化制氢和光催化水/空气净化。其他金属氧化物(诸如折射率可能在约2.3至约2.35之间的NbO_x)也可能具有光活性。

图14B示出了TiO₂纳米颗粒1410的光催化活性引起的有机降解的示例。如上所述，由于钛氧化物的光活性，TiO₂纳米颗粒1410可以与水分(H₂O)和/或氧(O₂)相互作用、以产生自由基(例如，羟基自由基和超氧自由基阴离子)。羟基自由基可以氧化和降解与TiO₂纳米颗粒1410相邻的有机物1420(例如，配体和树脂)。这些相互作用可以通过钛氧化物光激发来触发和/或可以是热诱导的。由于它们的高表面积-体积比，TiO₂纳米颗粒可能具有高的光学吸收速率，这可能会增加表面光诱导的载流子密度，从而导致更高的表面光活性并增强TiO₂纳米颗粒的光催化活性。结果，更多的有机物1420可能被氧化和降解以吸收可见光。因此，即使TiO₂纳米颗粒1410对可见光是透明的，包括钛氧化物纳米颗粒1420和有机物1420的膜也可以在可见光光谱中显示出一定程度的光学吸收。随着膜与环境经历进一步的氧化还原作用，诸如进一步暴露于紫外线和热，膜对可见光的吸收可能会随着时间的推移而增加，该膜包括钛氧化物纳米颗粒和有机物。因此，使用包括钛氧化物纳米颗粒和有机物的膜制造(例如，压印)的表面浮雕光栅或外涂层可能导致用于波导显示器的高吸收和低产量。

图15A至图15D示出了制造包括具有金属氧化物纳米颗粒和有机物的外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。图15A示出了基板1510的示例，该基板包括形成在基板1510中或基板上的一个或多个表面浮雕光栅1512。在一些实施方案中，可以通过使用诸如离子束蚀刻的湿法或干法蚀刻技术蚀刻基板1510来制造表面浮雕光栅1512。在一些实施方案中，可以通过沉积纳米压印树脂层并使用如上所述的模具或软质印模压印纳米压印树脂层来制造表面浮雕光栅1512。在一些实施方案中，纳米压印树脂层可以包括分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂。丙烯酸酯树脂的折射率可以介于约1.55与约1.7之间。在一个示例中，该树脂可以包括双官能高折射率单体，诸如来自东京应化工业有限公司(TOKYO OHKA KOGYO CO.,LTD.)的M1。

图15B示出了在基板1510一侧上的表面浮雕光栅1512上形成的第一外涂层1520的示例。在一些实施方案中，可以使用上面参照例如图12A至图13B公开的技术在表面浮雕光栅1512上形成第一外涂层1520。在一些实施方案中，第一外涂层1520可以是纳米压印树脂层，该纳米压印树脂层包括分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂。丙烯酸酯树脂的折射率可以介于约1.55与约1.7之间。在一个示例中，该树脂可以包括双官能高折射率单体，诸如来自TOK的M1。第一外涂层1520可以沉积在表面浮雕光栅1512上，在高温(例如，约90℃)下烘烤，并使用紫外光1505固化。在一些实施方案中，在使用紫外光1505固化之前，可以使用上面参照例如图12A至图13B所述的平坦印模来压印纳米压印树脂层。由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光固化第一外涂层1520可以降解第一外涂层1520中的有机物，如上面参照例如图14A和14B所述。

图15C示出了可以在基板1510的第二侧上的表面浮雕光栅1512上形成第二外涂层1530。可以使用上面参照例如图12A至图13B公开的技术在表面浮雕光栅1512上形成第二外涂层1530。在一些实施方案中，第二外涂层1530可以是纳米压印树脂层，该纳米压印树脂层包括如上参照第一外涂层1520所描述的、分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒，其中第二外涂层1530可以沉积在表面浮雕光栅1512上，在高温(例如，约90℃)下烘烤，然后使用紫外光1505固化。在一些实施方案中，在使用紫外光1505固化之前，可以使用上面参照例如图12A至图13B和图15B所述的平坦印模来压印纳米压印树脂层。由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光固化第二外涂层1530可以降解第二外涂层1530中的有机物。使用紫外光1505固化第二外涂层1530可以进一步将第一外涂层1520暴露于紫外光1505，并且因此可能由于暴露于紫外光的金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性而进一步降解第一外涂层1520中的有机物。

图15D示出了抗反射涂层1540可以被涂覆在第一外涂层1520和第二外涂层1530上、以形成波导显示器1500。抗反射涂层1540可以用来减少在波导显示器1500与空气之间的界面处的菲涅耳反射。在一些实施方案中，抗反射涂层1540可以被烘烤且使用紫外光1505固化。使用紫外光1505固化抗反射涂层1540可以进一步将第一外涂层1520和第二外涂层1530暴露于紫外光1505，并且因此由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性可以进一步降解第一外涂层1520和第二外涂层1530中的有机物。

图15E示出了在制造工艺期间包括具有不同金属氧化物纳米颗粒和有机物的表面浮雕光栅的波导显示器的示例的光学损耗的变化。如上所述，金属氧化物纳米颗粒可以是在暴露于特定波长的光时能够引起光活性的光催化剂。例如，TiO₂的带隙能量可以是约3.0eV至约3.2eV，并且可以吸收紫外光(例如，波长λ≤388nm)以产生自由电子-空穴对，该自由电子-空穴可以进而产生能够与相邻有机或无机材料反应并对其进行降解以降低波导显示器的透射率的自由基。相反地，ZrO₂的带隙能量可能为约5.0eV，远高于TiO₂的带隙能量，并且因此可能只吸收深紫外光。因此，经过紫外光固化和热处理后，包含ZrO₂纳米颗粒的树脂层可以具有较低的有机材料的降解水平，并且因此可以针对可见光具有较低的光学损失。

在一个示例中，用于形成第一外涂层1520和第二外涂层1530的材料可以是包括来自TOK的M1、ZrO₂纳米颗粒和溶剂的混合物，其中ZrO₂纳米颗粒可以是混合物的约90wt.％，并且第一外涂层1520和第二外涂层1530的折射率可以为约1.78。图15E中的条1552示出了在90℃下烘烤第一外涂层1520后且在使用紫外光固化第一外涂层1520前的图15B所示的结构的示例的光学损耗，其中第一外涂层1520可以包括ZrO₂纳米颗粒，并且第一外涂层1520的厚度可以约为140nm。条1554示出了在使用紫外光固化第一涂层1520后的图15B中所示结构的示例的光学损耗。条1556示出了在90℃下烘烤且在使用紫外光固化第二外涂层1530后的图15C所示的结构的示例的光学损耗，其中第二外涂层1530可以包括ZrO₂纳米颗粒，并且第二外涂层1530的厚度可以约为140nm。条1558示出了在90℃下烘烤且使用紫外光固化抗反射涂层1540后的图15D所示的波导显示器1500的光学损耗。因此，在制造工艺中，包括有机物和包括ZrO₂纳米颗粒的外涂层的光学损耗可能会略有增加。

在另一示例中，用于形成第一外涂层1520和第二外涂层1530的材料可以是包括来自TOK的M1、TiO₂纳米颗粒和溶剂的混合物，其中TiO₂纳米颗粒可以是混合物的约90wt.％，并且第一外涂层1520和第二外涂层1530的折射率可以为约2.05。图15E中的条1562示出了在90℃下烘烤第一外涂层1520后且在使用紫外光固化第一外涂层1520前的图15B所示的结构的示例的光学损耗，其中第一外涂层1520可以包括TiO₂纳米颗粒，并且第一外涂层1520的厚度可以约为140nm。条1564示出了在使用紫外光固化第一涂层1520后的图15B中所示结构的示例的光学损耗。条1566示出了在90℃下烘烤且在使用紫外光固化第二外涂层1530后的图15C所示的结构的示例的光学损耗，其中第二外涂层1530可以包括TiO₂纳米颗粒，并且第二外涂层1530的厚度可以约为140nm。条1568示出了在90℃下烘烤且使用紫外光固化抗反射涂层1540后的图15D所示的波导显示器1500的示例的光学损耗。图15E示出了在制造工艺中第一外涂层1520和第二外涂层1530的光学损耗可能显著增加，并且在外涂层中使用纳TiO₂纳米颗粒时的光学损耗可能非常高。因此，很难实现针对外涂层的高折射率和低光学损耗两者。

根据某些实施方案，压印光栅层或外涂层中的有机物(诸如，可能已经被降解(氧化)或可能没有被降解的金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒上的有机配体)可以被去除和/或被另一种材料(诸如，无机材料(例如，含硅材料)或可以具有低光学损耗且可能不会被金属氧化物纳米颗粒的光催化活性所降解的另一种有机材料)取代。例如，可以通过高能处理工艺(诸如，快速热退火法(RTA)或激光峰值退火法(LSA))来去除(例如，燃烧)光栅层或外涂层中的金属氧化物纳米颗粒上的有机配体，从而在光栅层或外涂层中形成多孔结构。然后，可以在光栅层或外涂层上形成有机或无机材料层(例如，外涂层或抗反射涂层)，以填充光栅层或外涂层中的多孔结构，从而在降低光栅层或外涂层的吸收损失的情况下增加折射率。例如，压印表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外涂层的特征可以在于针对可见光大于2.0的第一折射率，以及针对可见光小于0.05％的吸收率。

根据某些实施方案，方法可以包括：在基板上沉积纳米压印材料层(包括分散在树脂材料中的纳米颗粒)；使用印模在纳米压印材料层中压印表面浮雕光栅；通过热辐射或电磁辐射固化纳米压印材料层；层离印模；在压印的表面浮雕光栅上执行RTA工艺或LSA工艺以去除光学吸收有机物并在压印的表面浮雕光栅中形成多孔结构；以及在压印的表面浮雕光栅上沉积包括有机材料、无机材料或其组合来填充压印的表面浮雕光栅中的多孔结构并增加压印的表面浮雕光栅的光栅脊的折射率。

根据某些实施方案，方法可以包括：在表面浮雕光栅上沉积外涂层以至少部分地填充表面浮雕光栅的光栅槽，该外涂层包括分散在树脂材料中的溶胶-凝胶材料或纳米颗粒；任选地使用平面压印印模来压印外涂层；通过热辐射或电磁辐射固化外涂层；在外涂层上执行RTA工艺或LSA工艺以去除光学吸收有机物并在外涂层中形成多孔结构；以及在外涂层中沉积抗反射涂层以填充外涂层中的多孔结构并增加外涂层的折射率，该抗反射涂层可以包括有机材料、无机材料或其组合。

在一些实施方案中，纳米压印材料层或外涂层可以包括纳米颗粒类制剂或溶胶-凝胶类制剂。在一些实施方案中，纳米颗粒类制剂可以包括具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂(折射率介于约1.55与约1.7之间)、具有丙烯酸酯和非官能团修饰配体的75％-90％的TiO_x、ZrO_x和/或NbO_x纳米颗粒以及溶剂。该溶剂可以包括例如用于喷墨涂覆的丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)(用于旋转涂覆)或二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)。在一些实施方案中，该溶剂可以包括含有一种或多种溶剂的溶剂共混物，该一种或多种溶剂可以具有或可以不具有高于200℃的沸点。在一些实施方案中，溶胶-凝胶类制剂可以包括EMD MHM-63、飞利浦高折射率溶胶-凝胶制剂、或具有溶剂(诸如，PGMEA或DPGME/TPM)中的配体的有机溶剂溶解性二氧化钛。

在一些实施方案中，回填压印的表面浮雕光栅或外涂层中的多孔结构的有机和/或无机材料可以具有低的光学损耗，并且可以例如包括：有机材料，诸如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧类有机材料、硅氧烷类材料；无机材料，诸如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅等；或上述有机材料和无机材料的组合。在一些方面，在压印的表面浮雕光栅或外涂层上沉积有机材料、无机材料或它们的组合的第一层可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、原子层沉积(ALD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、引发式化学气相沉积(iCVD)工艺或它们的组合。在一些实施方案中，ALD工艺可以使用ALD前体，诸如TiCl₄和H₂O、四(二甲氨基)钛(IV)(TDMAT)和O₃、四(二甲胺基)锆(IV)(TDMAZ)/三甲基铝(TMA)和H₂O等。

图16A至图16E示出了根据某些实施方案的制造包括高折射率和低损耗外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。图16A示出了基板1610的示例，该基板包括形成在基板1610中或基板上的一个或多个表面浮雕光栅1612。表面浮雕光栅1612可以通过使用诸如离子束蚀刻等的湿法或干法蚀刻技术来蚀刻基板1610来制造，或者可以通过沉积纳米压印树脂层并使用如上所述的模具或软质印模来压印纳米压印树脂层来制造。

图16B示出了在基板1610一侧上的表面浮雕光栅1612上形成的第一外涂层1620的示例。在一些实施方案中，第一外涂层1620可以是纳米压印树脂层，该纳米压印树脂层包括分散在树脂和溶剂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂。丙烯酸酯树脂的折射率可以介于约1.55与约1.7之间。在一个示例中，该树脂可以包括双官能高折射率单体，诸如来自TOK的M1。在一些实施方案中，纳米颗粒可以是纳米压印树脂层的约75-90wt.％，并且可以包括具有丙烯酸酯和非官能化修饰配体的TiO_x、ZrO_x和/或NbO_x纳米颗粒。该溶剂可以包括例如PGMEA(用于旋转涂覆)或DPGME/TPM(用于喷墨涂覆)。在一些实施方案中，该溶剂可以包括具有一种或多种溶剂的溶剂共混物，该一种或多种溶剂可以具有或可以不具有高于200℃的沸点。在一些实施方案中，第一外涂层1620可以包括溶胶-凝胶材料，该溶胶-凝胶材料包括溶液和高折射率氧化物前体(例如，钛前体)并且已经被部分或完全凝聚成扩展网络。在一些实施方案中，溶胶-凝胶材料可以包括EMDMHM-63、飞利浦高折射率溶胶-凝胶制剂、或具有溶剂(诸如，PGMEA或DPGME/TPM)中的配体的有机溶剂溶解性二氧化钛。

在一些实施方案中，可以使用上面例如参照图12A至图13B公开的技术在表面浮雕光栅1612上形成第一外涂层1620。在一个示例中，第一外涂层1620可以沉积在表面浮雕光栅1612上，在高温(例如，约90℃)下烘烤并使用紫外光1605固化。在一些实施方案中，在使用紫外光1605固化之前，可以使用如上所述的平坦印模来压印纳米压印树脂层以形成具有平坦顶表面的第一外涂层1620。由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光固化第一外涂层1620可能降解第一外涂层1620中的有机物(例如，纳米颗粒上的配体)，如上面参照例如图14A和14B所述。

图16C示出了可以在基板1610的第二侧上的表面浮雕光栅1612上形成第二外涂层1630。在一些实施方案中，可以使用上面例如参照图12A至图13B和图16B公开的材料和技术在表面浮雕光栅1612上形成第二外涂层1630。在一些实施方案中，第二外涂层1630可以沉积在表面浮雕光栅1612上，在高温(例如，约90℃)下烘烤，然后使用紫外光1605固化。在一些实施方案中，在使用紫外光1605进行固化之前，可以使用平坦印模来压印纳米压印树脂层、以在第二外涂层1630上形成平坦顶表面。由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光固化第二外涂层1630可以降解第二外涂层1630中的有机物。固化第二外涂层1630可以进一步将第一外涂层1620暴露于紫外光1605，并且因此可能由于金属氧化物纳米颗粒的光催化活性而进一步降解第一外涂层1620中的有机物。

图16D示出了第一外涂层1620和第二外涂层1630中的有机材料(包括在制造工艺期间降解的有机物(例如，纳米颗粒上的有机配体))可以通过高能处理工艺(诸如快速热退火(RTA)、激光峰值退火(LSA)或紫外照射等)来去除(例如，燃烧)、以形成可以包括金属氧化物纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒之间的孔的多孔结构1622和1632。例如，快速热退火工艺可以将样品快速加热到高温、以在几秒至约30分钟的时间量程上氧化有机物。在一个示例中，结合气体环境控制，样品可以以约20-200℃/秒的斜坡率被加热到介于约200℃与约1300℃之间的温度或从其冷却。短时间处理可以激活催化反应，以快速去除有机物质。例如，可以通过由测量样品温度的高温计和热电偶来控制的高强度灯(例如，近红外光源，如卤钨灯)来实现快速升温。还可以控制冷却，以防止位错和样品破裂。LSA工艺可以使用窄激光束将样品从低温加热到峰退火温度，以燃烧有机材料。在去除有机材料之后，多孔结构1622和1632可以具有比第一外涂层1620和第二外涂层1630更低的折射率。

图16E示出了抗反射涂层1640可以被涂覆在第一外涂层1620和第二外涂层1630上以形成波导显示器。抗反射涂层1640可以用于减少在波导显示器与空气之间的界面处的菲涅耳反射。在一些实施方案中，抗反射涂层1640可以被烘烤并使用紫外光1605固化。抗反射涂层1640可以包括有机和/或无机材料，并且可以填充多孔结构1622和1632中的孔以形成填充外涂层1624，并且填充的外涂层1634可以具有较高的折射率(由于回填)和较低的吸收损耗(由于去除了降解的有机物以及在暴露于紫外光或热的情况下可以降解的其他有机物)。填充多孔结构1622和1632中的孔的有机和/或无机材料可以具有低光学损耗，并且可以例如包括：有机材料，诸如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧类有机材料、硅氧烷类材料；无机材料，诸如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅等；或上述有机材料和无机材料的组合。在一些方面，沉积抗反射涂层1640可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、PVD工艺、iCVD工艺或其组合。在一些实施方案中，ALD工艺可以使用ALD前体，例如TiCl₄和H₂O、TDMAT和O₃、TDMAZ/TMA和H₂O等。

图17A示出了根据某些实施方案的包括回填纳米颗粒层1720的设备的示例。在所示的示例中，设备1700可以包括基板1710、回填的纳米颗粒层1720和抗反射涂层1730。回填纳米颗粒层1720可以通过例如以下来形成：沉积包括如上所述的TiO₂纳米颗粒的树脂层；固化树脂层、使用RTA(例如，在约600℃)处理树脂层以去除有机材料并形成纳米多孔结构；以及在纳米多孔结构上沉积抗反射涂层1730，使得抗反射涂层1730中的材料(例如，硅氧烷类材料)可以填充树脂层中的纳米多孔结构、以形成可以具有高折射率和低光学吸收的回填纳米颗粒层1720。在图示的示例中，抗反射涂层1730可以具有约100nm的厚度和约1.5的折射率，并且回填纳米颗粒层1720可以具有约150nm的厚度和约2.02的折射率。所测量的设备1700针对可见光的光学损耗为约0.13％。

图17B示出了根据某些实施方案的包括回填高折射率外涂层1760的表面浮雕光栅1705的示例。表面浮雕光栅1705可以包括基板1740、光栅层1750、外涂层1760和抗反射涂层1770。光栅层1750可以包括在其中形成的表面浮雕结构。外涂层1760可以填充光栅层1750中的槽，并且可以通过上面参照例如图16A至图16E所述的工艺形成。在所示的示例中，抗反射涂层1770可以具有约50nm的厚度，并且可以包括折射率约为1.6的Al₂O₃。例如，可以使用上述ALD或SIS工艺来沉积抗反射涂层1770。沉积的Al₂O₃可以填充外涂层1760中的纳米多孔结构。回填外涂层1760可以具有约180nm的厚度和介于约2.07与约2.11之间的折射率。所测量的表面浮雕光栅1705针对可见光的光学损耗约为0.06％。

图18A示出了根据某些实施方案的结构(例如，图16D中示出的结构)的示例的X射线光电子能谱(XPS)分布图，该结构包括基板和具有在约600℃下由RTA去除的有机物的外涂层。在图示的示例中，外涂层具有约135nm的厚度，并且使用如上所述的包括有机物和TiO₂纳米颗粒的树脂材料制成。图18A中的曲线1810、1820、1830和1840分别示出了RTA后基板和外涂层中碳、氧、硅和钛的原子浓度。如曲线1810所示，在外涂层中，RTA后，碳的原子浓度接近于零、钛的原子浓度为约33％且氧的原子浓度为约66％。因此，在RTA后，碳类树脂从外涂层去除，使得剩余的外涂层可以包括由TiO₂纳米颗粒和TiO₂纳米颗粒之间的孔形成的纳米多孔结构。如使用X射线反射率测量的，剩余的外涂层可以具有约1.87的折射率和约2.67g/cm³的密度。

图18B示出了根据某些实施方案的结构(例如，图16E中示出的设备1700或结构)的示例的XPS分布图，该结构包括基板、外涂层和回填层。在图示的示例中，外涂层具有约135nm的厚度，并且可以使用包括分散在碳类树脂中的TiO₂纳米颗粒的树脂材料来制造。可以使用上述高能处理方法(例如，在约600℃下的RTA)从外涂层移除碳类树脂，使得外涂层可以包括由TiO₂纳米颗粒和TiO₂纳米颗粒之间的孔形成的纳米多孔结构。回填层可以是抗反射涂层，并且可以包括例如薄膜，该薄膜包括硅氧烷类材料并且具有约100nm的厚度。硅氧烷类材料可以具有约1.5的折射率和约1.37g/cm³的密度。硅氧烷类材料可以填充纳米多孔结构中的TiO₂纳米颗粒之间的孔。图18B中的曲线1812、1822、1832、1842和1850分别示出了基板、外涂层和回填层中碳、氧、硅、钛和铝的原子浓度。如曲线1812所示，碳的原子浓度在回填层中大于约60％且在外涂层中为约5％或更低。如曲线1822所示，氧的原子浓度在回填层中为约20％且在外涂层中为约60％。如曲线1832所示，硅的原子浓度在回填层中为约15％且在外涂层中为约5％。如曲线1842所示，钛的原子浓度在回填层中为0％且在外涂层中为约30％。图18B示出了在回填的外涂层中，硅、碳和钛的原子浓度在厚度(深度)方向上可能是均匀的。回填的外涂层可以具有约2.02的折射率和约2.99g/cm³的密度。

图18C示出了根据某些实施方案的包括基板、外涂层和形成在外涂层中的Al₂O₃层的结构的示例的XPS分布图。在图示的示例中，外涂层具有约175nm的厚度，并且可以使用包括分散在碳类树脂中的TiO₂纳米颗粒的树脂材料来制造。可以使用上述高能处理方法(例如，在约600℃下的RTA)从外涂层移除碳类树脂，使得外涂层可以包括由TiO₂纳米颗粒和TiO₂纳米颗粒之间的孔形成的纳米多孔结构。Al₂O₃层可以是抗反射涂层，并且可以具有约50nm的厚度。Al₂O₃层的折射率为约1.6，密度约为2.66g/cm³。Al₂O₃层可以通过例如原子层沉积而沉积在纳米多孔结构上。Al₂O₃层中的铝原子可以填充纳米多孔结构中的TiO₂纳米颗粒之间的孔。图18C中的曲线1814、1824、1834、1844和1852分别示出了基板、外涂层和Al₂O₃层中碳、氧、硅、钛和铝的原子浓度。如曲线1814所示，碳的原子浓度在Al₂O₃中为0％且在外涂层中为约0％。如曲线1824所示，氧的原子浓度在Al₂O₃为约65％且在外涂层中为约66％。曲线1834示出了在回填层和外涂层中，硅的原子浓度为约0％。如曲线1844所示，钛在Al₂O₃层中的原子浓度为约0％且在外涂层中为约25％。如曲线1852所示，铝在Al₂O₃层中的原子浓度为约35％且在外涂层中为约10％。图18C示出了在回填的外涂层中，铝和钛的原子浓度在厚度(深度)方向上可能是均匀的。回填的外涂层可以具有约2.07的折射率和约3.32g/cm³的密度。

图18D示出了图18A至图18C的结构的示例中的折射率与各层密度之间的关系。图18D中的数据点1860示出了图18A的外涂层的折射率(1.87)和密度(2.67g/cm³)。图18D中的数据点1862示出了用硅氧烷类材料回填的图18B的外涂层的折射率(2.02)和密度(2.99g/cm³)，该外涂层具有约1.5的折射率和约2.99g/cm³的密度，如数据点1864所示。图18D中的数据点1866示出了用Al₂O₃层回填的图18C的外涂层的折射率(2.07)和密度(3.32g/cm³)，该外涂层具有约1.6的折射率和约2.66g/cm³的密度，如数据点1868所示。

图19A至图19E示出了根据某些实施方案的制造包括具有高折射率和低损耗的外涂层的表面浮雕光栅的工艺的示例。图19A示出了可以在基板1905上的表面浮雕光栅1910上分配外涂层材料、以形成用于表面浮雕光栅1910的外涂层1910。如上所述，外涂层材料可以包括树脂(例如，具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂)、纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒和/或NbO_x纳米颗粒)和溶剂(例如，PGMEA或DPGME/TPM)。在一些实施方案中，外涂层材料可以包括溶胶-凝胶材料，该溶胶-凝胶材料包括溶液和高折射率氧化物前体(例如，钛前体)、并且已经被部分或完全凝聚成扩展网络。例如，溶胶-凝胶材料可以包括EMD MHM-63、飞利浦高折射率溶胶-凝胶制剂、或具有溶剂(例如，PGMEA或DPGME/TPM)中的配体的有机溶剂溶解性二氧化钛。在一个示例中，外涂层材料可以具有约1.95的折射率。可以通过例如旋转涂覆或喷墨打印来分配外涂层材料。可以基于光栅槽的尺寸和所需的外包覆的厚度(例如，光栅脊的顶部上的外涂层的部分)来确定分配在表面浮雕光栅1910上的外涂层材料的量。在分配了外涂层材料之后，外涂层1920的顶表面可能不是如所示示例中示出的平坦。例如，在光栅脊区域处的顶表面的高度可以大于在光栅槽区域处的顶表面的高度。在一些实施方案中，可以烘烤外涂层1920以从外涂层中去除溶剂。烘烤可以帮助去除溶剂和滞留空气，使得外涂层中的外涂层材料更加均匀或均质。

图19B示出了在压印工艺中可以将平面压印印模1930(例如，上述软质印模或模具)层压或以其他方式施加在外涂层1920上。如上所示，在一些实施方案中，平面压印印模1930可以包括PDMS或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，平面压印印模1930可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。接触外涂层1920的平面压印印模1930的底表面可以具有低表面粗糙度。平面压印印模1930可以例如使用如上参照例如图11B所述的辊压靠在外涂层1920上。因此，可以将光栅脊的顶部上的外涂层材料的某些部分强制施加到光栅槽的顶部上的区域，并且可以将平面压印印模1930的平坦底表面转移到外涂层1920的顶表面。

图19C示出了可以固化(例如，使用紫外光)外涂层1920、以如上所述将基础树脂交联并固定在外涂层材料中。在外涂层材料的固化和交联之后，平面压印印模1930可以从外涂层1920和表面浮雕光栅1910层离或以其他方式分离，如上面参照例如图11C所述。在平面压印印模1930的层离之后，外涂层1920的顶表面可以是平坦且光滑的。此外，外包覆可以很薄，诸如小于约20nm。

图19D示出了可以对外涂层1920执行高能处理工艺(例如，RTA、LSA或紫外照射)，以去除外涂层1920中的有机材料(例如，修饰TiO₂纳米颗粒和/或NbO_x纳米颗粒的有机配体)。在高能处理之后，由于去除了有机材料，外涂层1920可以变成多孔层1922，该多孔层可以具有较低的折射率。例如，外涂层1920可以具有约1.95的折射率，而多孔层1922可以具有约1.88或更低的折射率。

图19E示出了可以在多孔层1922上沉积抗反射涂(ARC)层1940。如上所述，ARC层1940可以包括有机和/或无机材料，并且可以回填多孔层1922以形成回填外涂层1924，该回填外涂层可以具有较高的折射率(由于多孔结构的回填)和低的吸收损失(由于去除了降解的有机物和其他能够降解的有机物)。例如，多孔层1922可以具有约1.88的折射率，而回填外涂层1924可以具有约2.03或更高的折射率。回填多孔层1922的有机和/或无机材料可以具有低光学损耗，并且可以例如包括：有机材料，诸如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧类有机材料、硅氧烷类材料；无机材料，诸如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅等；或上述有机材料和无机材料的组合。沉积ARC层1940可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、PVD工艺、CVD工艺或其组合。在一些实施方案中，ALD工艺可以使用ALD前体，例如TiCl₄和H₂O、TDMAT和O₃、TDMAZ/TMA和H₂O等。

图20A至图20E示出了根据某些实施方案的制造包括具有高折射率和低损耗的光栅脊的表面浮雕光栅的工艺的示例。图20A示出了可以在基板2005上分配树脂材料2010。如上所述，树脂材料2010可以包括树脂(例如，具有光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂)、纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒和/或NbO_x纳米颗粒)和溶剂(例如，PGMEA或DPGME/TPM)。在一个示例中，树脂材料2010可以具有约1.95的折射率。可以通过例如旋转涂覆或喷墨涂覆来分配树脂材料2010。例如，可以基于光栅槽的深度和光栅的占空比来确定在基板2005上分配的树脂材料2010的量。在一些实施方案中，可以烘烤树脂材料2010以去除溶剂和滞留空气，使得树脂材料可以更均匀或均质。

图20B示出了在压印工艺中可以将压印印模2020(例如，软质印模)层压或以其他方式施加在树脂材料2010上。如上所示，在一些实施方案中，压印印模2020可以包括PDMS或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，压印印模2020可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。接触树脂材料2010的压印印模2020的表面可以具有表面浮雕结构。压印印模2020可以例如使用如上参照例如图11B所述的辊压靠在树脂材料2010上。因此，可以将压印印模2020中的表面浮雕结构转移到树脂材料2010上，使得能够在树脂材料2010中形成与压印印模2020中的表面浮雕结构互补的表面浮雕结构。

图20C示出了可以固化(例如，使用紫外光)树脂材料2010、以如上所述将基础树脂交联并固定在树脂材料中。在树脂材料2010的固化和交联之后，压印印模2020可以从树脂材料2010层离或以其他方式分离，从而形成如上面参照例如图11C所述的表面浮雕光栅2012。即使图20C中所示的表面浮雕光栅2012的示例包括直的光栅脊，在一些实施方案中，表面浮雕光栅2012可以包括倾斜的光栅脊。表面浮雕光栅2012的光栅周期、占空比和/或深度可以是恒定的或者可以跨光栅是可变的。

图20D示出了可以对表面浮雕光栅2012执行高能处理工艺(例如，RTA、LSA或紫外照射)、以去除表面浮雕光栅2012中的有机材料(例如，修饰TiO₂纳米颗粒和/或NbO_x纳米颗粒的有机配体)。在高能处理之后，由于去除了有机材料，表面浮雕光栅2012可以变成多孔并因此可以具有降低的折射率。例如，表面浮雕光栅2012在高能处理工艺之前可以具有约1.95的折射率，并且在高能处理工艺之后可以具有约1.87的折射率。

图20E示出可以在表面浮雕光栅2012上沉积外涂层2030。如上所述，外涂层2030可以包括有机和/或无机材料，并且可以回填多孔表面浮雕光栅2012、以形成回填表面浮雕光栅2012，该回填表面浮雕光栅可以具有较高的折射率(由于多孔结构的回填)和低的吸收损失(由于去除了降解的有机物和其他可降解的有机物)。例如，在高能处理工艺之后，表面浮雕光栅2012可以具有约1.87的折射率，并且在表面浮雕光栅2012上沉积外涂层2030以填充表面浮雕光栅2012中的孔之后，可以具有约2.07的折射率。回填表面浮雕光栅中的孔2012的有机和/或无机材料可以具有低光学损耗，并且可以例如包括：有机材料，诸如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧类有机材料、硅氧烷类材料；无机材料，诸如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅等；或上述有机材料和无机材料的组合。沉积外涂层2030可以包括例如喷墨涂覆工艺或旋转涂覆工艺。

图21包括示出了根据某些实施方案的制造具有高折射率对比度和低损耗的表面浮雕光栅的工艺的示例的流程图2100。值得注意的是，图21中所示的具体操作提供了一种制造表面浮雕光栅的具体方法。根据替换实施方案，可以执行其他操作序列。此外，图21中所示的单个操作可以包括多个子步骤，这些子步骤可以根据单个操作以各种顺序执行。此外，根据特定应用，可以添加附加操作或可能不执行某些操作。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换。

框2110中的操作可以包括沉积树脂层(或溶胶凝胶层)，该树脂层包括有机材料和分散在该有机材料中的金属氧化物纳米颗粒。树脂层可以包括例如含光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂；用有机配体修饰的75％-90％金属氧化物(例如TiO_x、ZrO_x和/或NbO_x)纳米颗粒；以及包括PGMEA、DPGME/TPM或组合的溶剂。在一些实施方案中，树脂层可以具有约1.95或更高的折射率。可以使用旋转涂覆、喷墨涂覆或喷涂涂覆将树脂层沉积在基板或表面浮雕光栅上。在一些实施方案中，可以烘烤树脂层以去除溶剂。烘烤可以帮助去除溶剂和滞留空气，使得树脂层中的材料更加均匀或均质。在一些实施方案中，可以在表面浮雕光栅上沉积溶胶-凝胶层，而不是树脂层，以形成外涂层。该溶胶-凝胶材料可以包括溶液和高折射率氧化物前体(例如，钛前体)，并且可以至少部分地凝聚成延伸网络。例如，该溶胶-凝胶材料可以包括具有有机配体的有机溶剂溶解性二氧化钛，以及包括PGMEA、DPGME/TPM或其组合的溶剂。在一些实施方案中，该溶胶-凝胶材料可以包括EMD MHM-63或飞利浦高折射率溶胶-凝胶制剂。

框2115中的任选操作可以包括例如通过层压平面压印印模或具有与树脂层上的表面浮雕光栅的结构互补的结构的压印印模压来压印树脂层。如上所示，平面压印印模可以包括PDMS或另一硅弹性体或硅类有机聚合物。在一些实施方案中，平面压印印模可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物或丙烯酸聚合物材料。平面压印印模可以用来形成具有平坦顶表面的外涂层。具有与表面浮雕光栅的结构互补的结构的压印印模可以用来在树脂层中形成表面浮雕光栅。

框2120中的操作可以包括固化树脂层(例如，使用紫外光)以将基础树脂交联并固定在树脂层中。交联的基础树脂可以将金属氧化物纳米颗粒固定在适当的位置。在固化之后，压印印模(如果使用)可以从树脂层层离、以在树脂层上留下平坦的顶表面(用于外涂层)或在树脂层中留下表面浮雕光栅。

框2130中的操作可以包括对固化的树脂层执行高能处理过程(例如，RTA、LSA或紫外照射)、以去除有机材料(例如，修饰TiO₂纳米颗粒和/或NbO_x纳米颗粒的有机配体)，包括在制造工艺(例如，紫外固化)期间已经降解的有机材料。经过高能处理后，树脂层可能会变成多孔层，该多孔层可能包括金属氧化物纳米颗粒和金属氧化物纳米颗粒之间的孔。例如，如图18A所示，多孔层可能主要由Ti和氧原子组成。由于去除了有机材料，多孔层可能具有较低的折射率。例如，高能处理前的树脂层可以具有约1.95的折射率，而多孔层可以具有约1.88的折射率。

框2140中的操作可以包括在多孔层上沉积具有低光学损耗的回填材料以填充多孔层中的孔。沉积回填材料可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、SIS工艺、PVD工艺、iCVD工艺或其组合。在ALD工艺中使用的ALD前体可以包括例如TiCl₄和H₂O、TDMAT和O₃、TDMAZ/TMA和H₂O或其组合。回填材料可以包括有机材料、无机材料或其组合。有机材料可以包括例如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或其组合。无机材料可以包括例如Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。具有填充有回填材料的孔的多孔层可以具有较高的折射率，诸如大于约2.0。因此，可以形成低损耗、高折射率的外涂层或表面浮雕光栅。回填材料可以在低折射率表面浮雕光栅上的高折射率外涂层上形成ARC层，或者可以在高折射率表面浮雕光栅上形成低折射率外涂层。

本发明的实施方案可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以一些方式进行调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(VR)、混合现实(MR)、混杂现实或它们的一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，现实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，并且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施方案中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实(例如，在其中执行活动)的应用、产品、配件、服务或它们的一些组合相关联。可以在多种平台上实现提供人工现实内容的人工现实系统，包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

图22为用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(HMD设备)的示例电子系统2200的简化框图。电子系统2200可以作为上述HMD设备或其他近眼显示器的电子系统使用。在本示例中，电子系统2200可以包括一个或多个处理器2210和存储器2220。处理器2210可以被配置为执行用于在若干部件处执行操作的指令，并且例如可以是通用处理器或适于在便携式电子设备内实施的微处理器。一个或多个处理器2210可以与电子系统2200内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，一个或多个处理器2210可以跨总线2240与其他示例部件通信。总线2240可以是适于在电子系统2200内传输数据的任何子系统。总线2240可以包括多个计算机总线和附加电路以传输数据。

存储器2220可以耦合到一个或多个处理器2210。在一些实施方案中，存储器2220可以提供短期和长期存储，并且可以被分成几个单元。存储器2220可以是易失性的，例如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)；和/或非易失性的，例如只读存储器(read-onlymemory，ROM)、闪存存储器等。此外，存储器2220可以包括可移除存储设备，例如安全数字(secure digital，SD)卡。存储器2220可以为电子系统2200提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施方案中，存储器2220可以分布到不同的硬件模块中。指令和/或代码集可以存储在存储器2220上。指令可以采取能够由电子系统2200执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，在电子系统2200上编译和/或安装时(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压实用程序等中的任一种)，可以采取可执行代码的形式。

在一些实施方案中，存储器2220可以存储多个应用程序模块2222至2224，这些应用程序模块2222至2224可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例包括游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。应用程序可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用程序模块2222至2224可以包括要由一个或多个处理器2210执行的特定指令。在一些实施方案中，某些应用程序或应用程序模块2222至2224的部分可以由其他硬件模块2280执行。在某些实施方案中，存储器2220可以额外的包括安全存储器，该安全存储器可以包括额外的安全控制以防止复制或对安全信息的其他未经授权的访问。

在一些实施方案中，存储器2220可以包括被装载于其中的操作系统2225。操作系统2225可以操作以启动应用程序模块2222至2224提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2280以及与无线通信子系统2230的接口，该接口可以包括一个或多个无线收发器。操作系统2225可以适用于跨电子系统2200的部件执行其他操作，包括线程、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。

无线通信子系统2230可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2200可以包括用于无线通信的一个或多个天线2234来作为无线通信子系统2230的一部分，或作为耦合到该系统的任何部分的单独部件。根据期望的功能，无线通信子系统2230可以包括单独的收发器以与基站收发器和其他无线设备和接入点通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型通信，例如无线广域网(wireless wide-areanetwork，WWAN)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)或无线个人区域网(wireless personal area networ，WPAN)。例如，WWAN可以是WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术还可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统2230可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统2230可以包括用于使用一个或多个天线2234和一个或多个无线链路2232来发射或接收数据的装置，该数据诸如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热地图、照片或视频。

电子系统2200的示例还可以包括一个或多个传感器2290。一个或多个传感器2290可以包括例如图像传感器、加速计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或可操作以提供传感输出和/或接收传感输入的任何其他类似模块，诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器2290可以包括一个或多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从一个或多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示HMD设备相对于HMD设备的初始位置的估计位置。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种适当类型的传感器、用于IMU的误差校正的一类传感器或其某种组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或其某种组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。

电子系统2200可以包括显示器模块2260。显示器模块2260可以是近眼显示器，并且可以以图形方式从电子系统2200向用户呈现信息，例如图像、视频和各种指令。这样的信息可以从一个或多个应用程序模块2222至2224、虚拟现实引擎2226、一个或多个其他硬件模块2280、它们的组合、或用于(例如，通过操作系统2225)为用户解析图形内容的任何其他适当的装置导出。显示器模块2260可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(例如包括OLED、ILED、LED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示器(light emitting polymerdisplay，LPD)技术或某些其他显示技术。

电子系统2200可以包括用户输入/输出模块2270。用户输入/输出模块2270可以允许用户向电子系统2200发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用程序或在应用程序内执行特定动作。用户输入/输出模块2270可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、一个或多个传声器、一个或多个按钮、一个或多个拨盘、一个或多个开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统2200的任何其他适当的设备。在一些实施方案中，用于输入/输出模块2270可以根据从电子系统2200接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到或已经执行动作请求时提供触觉反馈。

电子系统2200可以包括照相机2250，该照相机可以用于拍摄用户的照片或视频，例如用于跟踪用户的眼睛位置。照相机2250还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如用于VR、AR或MR应用。照相机2250可以包括例如具有几百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(complementary metal–oxide–semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机2250可以包括能够用于捕捉3D图像的两个或更多个照相机。

在一些实施方案中，电子系统2200可以包括多个其他硬件模块2280。其他硬件模块2280中的每个可以是电子系统2200内的物理模块。虽然其他硬件模块2280中的每个可以永久配置为结构，但是其他硬件模块2280中的一些可以临时配置为执行特定功能或临时激活。其他硬件模块2280的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如传声器或扬声器)、近场通信(near field communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施方案中，其他硬件模块2280的一个或多个功能可以在软件中实现。

在一些实施方案中，电子系统2200的存储器2220还可以存储虚拟现实引擎2226。虚拟现实引擎2226可以执行电子系统2200内的应用程序，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些实施方案中，由虚拟现实引擎2226接收的信息可以用于生成给显示器模块2260的信号(例如，显示指令)。例如，如果所接收的信息指示用户已经向左看，虚拟现实引擎2226可以为HMD设备生成在虚拟环境中反映出用户眼睛的移动的内容。此外，虚拟现实引擎2226可以响应于从用户输入/输出模块2270接收的动作请求在应用程序内执行动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，一个或多个处理器2210可以包括可以执行虚拟现实引擎2226的一个或多个GPU。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上或在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，诸如GPU、虚拟现实引擎2226和应用程序(例如，跟踪应用程序)的一些部件或模块可以在独立于头戴式显示器设备的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持多于一个的HMD。

在替代配置中，电子系统2200中可以包括不同的和/或附加的部件。类似地，一个或多个部件的功能可以通过与上述方式不同的方式分布于部件之间。例如，在一些实施方案中，可以修改电子系统2200以包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。

以上讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施方案可以适当地省略、替换或添加各种程序或组件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施方案描述的特征可以在各种其他实施方案中组合。可以以类似的方式组合实施方案的不同方面和要素。另外，技术在发展，因此，许多要素是不将本公开的范围限制到那些具体示例的实施方案。

在说明书中给出了具体细节，以提供对实施方案的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施方案。例如，为了避免混淆实施方案，已在没有不必要细节的情况下示出了众所周知的电路、过程、系统、结构和技术。本说明书仅提供示例实施方案，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，实施方案的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施方案的使能描述。在不脱离权利要求书的范围的情况下，可以对要素的功能和布置进行各种改变。

另外，将一些实施方案描述为绘制为流程图或框图的过程。尽管每者可以将操作描述为顺序的过程，但是该操作中的多个操作可并行执行或同时执行。此外，可以重新布置操作的顺序。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。此外，方法的实施方案可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任何组合来实现。当以软件、固件、中间件或微码实现时，用于执行相关任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关任务。

对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以根据具体要求进行显著的变化。例如，也可以使用定制或专用硬件，和/或可以在硬件、软件(包括诸如小应用程序等的可移植软件)或两者中实现具体元素。此外，可以使用到其他计算设备(诸如网络输入/输出设备)的连接。

参照附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。本文使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指的是参与提供使机器以特定方式工作的数据的任何存储介质。在以上提供的实施方案中，向处理单元和/或一个或多个其他设备提供用于执行的指令/代码可以涉及各种机器可读介质。附加地或可替换地，可以使用机器可读介质存储和/或承载这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式例如包括磁性和/或光学介质，诸如光盘(compact disk，CD)或数字多功能盘(digital versatiledisk，DVD)、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(programmable read-only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒式磁带、下文描述的载波，或计算机可以从其读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示流程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件封装、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。

本领域的技术人员将认识到，可以使用各种不同技术中的任一种来表示用于传送本文描述的消息的信息和信号。例如，在整个上文描述中提到的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任何组合来表示。

本文使用的术语“和”以及“或”可以包括各种含义，预计这些含义也至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于相关列表，如A、B或C，则意味着A、B和C(此处用于包含性意义)以及A、B或C(此处用于独占意义)。此外，本文中使用的术语“一个或多个”可以用来描述单数形式的任何特征、结构或特征，或者可以用来描述特征、结构或特征的某种组合。然而，应当注意的是，这只是一个说明性的示例，并且要求保护的主题不限于这种示例。此外，如果用于相关列表，诸如A、B或C，则术语“至少一者”可以被解释为表示A、B、C或A、B和/或C的任意组合，诸如AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、ACC、AABBCCC等。

此外，尽管已经使用硬件和软件的具体组合描述了特定实施方案，但应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施方案可以仅在硬件中、或仅在软件中、或使用其组合实施。在一个示例中，软件可以用计算机程序产品来实施，该计算机程序产品包含可以由一个或多个处理器执行以执行本公开描述的任何或全部步骤、操作或过程的计算机程序代码或指令，其中计算机程序可以存储于非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以以任何组合方式在相同处理器或不同处理器上实施。

将在设备、系统、部件或模块描述为配置为执行特定操作或功能时，可以通过以下来实现此类配置，例如，可以通过设计电子电路来执行操作、通过对可编程电子电路(例如，微处理器)编程以诸如通过执行计算机指令或代码来执行操作、或被编程以执行存储于非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或核心、或其任何组合。过程可使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于过程间通信的常规技术，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或相同的过程对可以在不同时间使用不同的技术。

因此，说明书和附图应视为例示性的而非限制性的。然而，显而易见的是，在不脱离权利要求中阐述的更广泛的范围的情况下，可以对其进行添加、减除、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施方案，但这些并不旨在是限制性的。各种修改和等价方式在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种光学设备，所述光学设备包括：

基板；

第一表面浮雕光栅，所述第一表面浮雕光栅包括形成在所述基板上或所述基板中的槽和脊；

第一外涂层，所述第一外涂层在所述第一表面浮雕光栅的所述槽中；以及

第一抗反射层，所述第一抗反射层在所述第一外涂层上，

其中：

所述第一表面浮雕光栅的所述脊包括金属氧化物纳米颗粒以及所述金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的所述第一外涂层的材料，其中，所述金属氧化物纳米颗粒是光活性的，或者

所述第一外涂层包括所述金属氧化物纳米颗粒以及所述金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的所述第一抗反射层的材料。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述金属氧化物纳米颗粒包括TiO_x纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒或它们的组合。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的光学设备，其中，所述第一表面浮雕光栅的所述脊或所述第一外涂层的特征在于针对可见光大于2.0的折射率。

4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的光学设备，其中，所述第一表面浮雕光栅和所述第一外涂层针对可见光的总光学吸收低于0.1％。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中，在所述第一表面浮雕光栅的所述脊中的所述金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的材料、或所述第一外涂层中的所述金属氧化物纳米颗粒之间的材料包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中，所述第一表面浮雕光栅的所述脊或所述第一外涂层的特征在于小于10％的碳原子浓度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，所述光学设备还包括：

第二表面浮雕光栅，所述第二表面浮雕光栅包括形成在所述基板上或所述基板中的槽和脊，所述第二表面浮雕光栅和所述第一表面浮雕光栅在所述基板的相对侧上；

第二外涂层，所述第二外涂层在所述第二表面浮雕光栅的所述槽中；以及

第二抗反射层，所述第二抗反射层在所述第二外涂层上，

其中：

所述第二表面浮雕光栅的所述脊包括所述金属氧化物纳米颗粒以及所述金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的所述第二外涂层的材料，或者

所述第二外涂层包括所述金属氧化物纳米颗粒以及所述金属氧化物纳米颗粒之间的区域中的所述第二抗反射层的材料。

8.一种方法，所述方法包括：

在表面浮雕光栅上沉积外涂层以至少部分填充所述表面浮雕光栅的光栅槽，所述外涂层包括：

溶胶-凝胶材料，所述溶胶-凝胶材料包括金属氧化物前体；或

树脂层，所述树脂层包括金属氧化物纳米颗粒；

通过热辐射或电磁辐射固化所述外涂层；

对所述外涂层执行高能处理、以去除光吸收有机物并在所述外涂层中形成多孔结构；在所述外涂层中沉积有机材料、无机材料或它们的组合的第一层以填充所述外涂层中的所述多孔结构。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述高能处理包括快速热退火(RTA)、激光峰值退火(LSA)或紫外(UV)光辐射。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，在所述外涂层上沉积所述有机材料、所述无机材料或它们的组合的所述第一层包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、原子层沉积(ALD)工艺、顺序渗透合成(SIS)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、引发式化学气相沉积(iCVD)工艺或它们的组合；并且优选地，在所述ALD工艺中使用的ALD前体包括：

TiCl₄和H₂O；

四(二甲氨基)钛(IV)(TDMAT)和O₃；

四(二甲胺基)锆(IV)(TDMAZ)/三甲基铝(TMA)和H₂O；或

它们的组合。

11.根据权利要求8、权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，所述有机材料包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或它们的组合；和/或优选地，其中，所述无机材料包括Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合；和/或优选地，其中，所述有机材料、所述无机材料或它们的组合的所述第一层在所述外涂层上形成抗反射涂层。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，所述方法还包括在固化所述外涂层之前，使用平面压印印模来压印所述外涂层以使所述外涂层的顶表面平坦化。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中，所述溶胶-凝胶材料包括：

具有有机配体的有机溶剂溶解性二氧化钛；以及

包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)或它们的组合的溶剂；和/或优选地，其中，所述树脂层包括：

包括光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂；

用有机配体修饰的TiO_x或NbO_x纳米颗粒；以及

包括PGMEA、DPGME/TPM或它们的组合的溶剂。

14.一种方法，所述方法包括：

在基板上沉积包括金属氧化物纳米颗粒的树脂层；

在所述树脂层中压印表面浮雕光栅；

对所述表面浮雕光栅执行高能处理、以去除光吸收有机物并在所述表面浮雕光栅内形成多孔结构；以及

在所述表面浮雕光栅上沉积有机材料、无机材料或它们的组合的层、以填充所述表面浮雕光栅的光栅槽和所述表面浮雕光栅中的多孔结构。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述高能处理包括快速热退火(RTA)、激光峰值退火(LSA)或紫外(UV)光辐射；和/或优选地，其中：

所述树脂层包括：

包括光自由基生成物或热自由基生成物的丙烯酸酯树脂；

用有机配体修饰的TiO₂或NbO_x纳米颗粒；以及

包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)或它们的组合的溶剂；并且

所述有机材料、所述无机材料或它们的组合的所述层包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、TiO₂、Ta₂O₅或它们的组合。